Los neutrinos, las partículas invisibles

El Universo está formado por diversos tipos de partículas elementales (quarks, leptones y neutrinos) que se combinan entre sí para construir todo aquello que se ve y todo lo que no se ve. Las partículas más abundantes son los neutrinos. Los primeros se originaron fracciones de segundo después del Big Bang y desde los dos primeros segundos de vida viajan libremente a través del espacio. Los físicos creen que hay un fondo cósmico de neutrinos, “lo que pasa es que es tan inalcanzable que seguramente no se podrá detectar nunca”, afirma Jordi José, del Departamento de Física e Ingeniería Nuclear de la UPC.

De los neutrinos, todavía hoy sabemos pocas cosas. Jordi José explica que son partículas minúsculas, con masa –si bien inicialmente se creía que no tenían- y sin carga eléctrica.

Se estima que cada segundo 66.000 millones de neutrinos atraviesan cada centímetro cuadrado de piel de cada persona de la Tierra. Entran en el cuerpo humano y vuelven a salir sin que nos demos cuenta. Después, penetran el suelo, cruzan la tierra casi a la velocidad de la luz y vuelven a salir por las antípodas sin haber chocado con nada, porque no interactúan con ninguno de los átomos por los que pasan.

“Los neutrinos –continua el investigador- atraviesan la Tierra como si fuera mantequilla, continuamente y nosotros somos casi transparentes para estas partículas. De hecho, la probabilidad que afecten a alguna partícula de nuestro cuerpo es de una sola interacción en 70 años. Esto da una idea de por qué son difíciles de detectar”

El descubrimiento

Los neutrinos se postularon teóricamente antes de que se conociera su existencia. La historia es la siguiente: a principios del siglo pasado se comprobó que en la llamada desintegración beta (proceso que consiste en la emisión de un electrón por parte del núcleo de un átomo radioactivo) alguna cosa no cuadraba. El problema era que la energía del átomo inicial antes de la desintegración era superior a la de los componentes al final del proceso, sin que se supiera para qué. Este hecho cuestionaba uno de los pilares fundamentales de la física: la conservación de la energía (“la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”).

Para resolver esta cuestión, en 1930 el físico austríaco Wolfang Pauli sugirió la existencia de una nueva partícula elemental invisible o difícil de detectar que se emitía junto al electron y se llevaba la energía aparentemente desaparecida. Respeto a esta partícula, hizo diversas predicciones. No tendría carga eléctrica, debería tener una gran facilidad para penetrar la materia y su masa tendría que ser cero, o próxima a este valor.

En 1933 el físico italiano Enrico Fermi la bautizó con el nombre de neutrino (“pequeño neutrón”, en italiano). Pero la existencia de esta partícula no se descubrió experimentalmente hasta 25 años después que la hubiera propuesto Pauli. En 1956 los físicos norteamericanos Clyde Cowan y Frederic Reines pudieron detectar el rastro inequívoco de una reacción nuclear que sólo podía haber iniciado un neutrino (en realidad se trataba de un antineutrino).

El Sol es una fuente intensa de neutrinos. “Se calcula que el Sol emite unos 1038 cien billones de billones) neutrinos por segundo a causa de las reacciones nucleares originadas en el interior”, explica el profesor Anuj R. Parikh, del Departamento de Física e Ingeniería Nuclear de la UPC. A la Tierra sólo llega una pequeña parte de este enorme flujo. Pero para los científicos que los estudian son mensajeros que permiten estudiar el interior del Sol y sus mecanismos de funcionamiento.

Durante décadas uno de los grandes enigmas en cuanto a los neutrinos fue la discrepancia entre el número de neutrinos procedentes del Sol que llegaban a la Tierra y los modelos solares. Los experimentos para detectar neutrinos solares comenzaron en la década de 1960. Uno de los pioneros en este campu fue el astrofísico norteamericano y premio Nobel Raymond Davis. Los resultados de sus experimentos empezaron a evidenciar que llegaban a la Tierra un tercio menos de neutrinos del que predecían los modelos teóricos del interior del Sol. Es el que se llamó problema de los neutrinos solares. Las fechas acumuladas implicaban que los modelos solares eran incorrectas o bien que alguna cosa sucedía a los neutrinos en los 150 millones de quilómetros de viaje del Sol a la Tierra.

La solución a este misterio llegó años después. En 1969 los físicos teóricos Bruno Pontecorvo y Vladimir Gribov fueron los primeros a sugerir que cambios (oscilaciones) entre diferentes tipos de neutrinos podrían ser los responsables del aparente déficit de neutrinos. Desde entonces varios experimentos han confirmado esta hipótesis: los neutrinos generados en el Sol mediante reacciones nucleares se llaman neutrinos electrónicos (una de las tres variedades de neutrinos conocidas), pero una parte de estos cambia de “identidad” mientras viaja.

Cómo funcionan las estrellas

Uno de los ámbitos de interés de la astrofísica es el estudio de funcionamiento de las estrellas como hornos de transformación nuclear. Para hacer esto, los científicos necesitan desarrollar modelos teóricos que expliquen, por ejemplo, cuáles son los procesos de producción de energía en el interior del Sol.

A partir de la luminosidad aparente del Sol (la luz que se puede observar) i su distancia a la Tierra se puede deducir la luminosidad absoluta y, por lo tanto, la temperatura. “A partir de la temperatura podemos saber cuántas reacciones nucleares se producen. Se calcula que el Sol fusiona 600 millones de toneladas de hidrógeno por segundo. Con estos datos se puede estimar el flujo de neutrinos que se generan en el interior i también los que tendrían que llegar a la Tierra”, dice el profesor Jordi José.

Los neutrinos ayudan, pues, a afinar los modelos solares y, por extensión, los modelos de cómo funcionan las estrellas. Son un mecanismo interesante para obtener información del interior del Sol, pero también son importantes “como fuente de enfriamiento de las estrellas” añade Anuj R. Parikh.

Un buen modelo de astrofísica necesita un buen modelo de cuántos neutrinos se generan y cuanta energía se llevan y, a la vez, un buen conocimiento de los procesos nucleares que tienen lugar en las estrellas. Jordi José diseña modelos de explosiones estelares (como novas o fuentes eruptivas de rayos X) y Parikh intenta reproducir en el laboratorio las condiciones que hay en las estrellas, para determinar experimentalmente los ritmos a los cuales se producen las reacciones de fusión nuclear.

Para estos investigadores, los neutrinos son una herramienta más. “Nuestros cálculos se tienen en cuenta. Es en este sentido que somos usuarios, más que para analizar sus propiedades detalladamente”, concluyen.

Fuente de Datos: Universitat Politècnica de Catalunya