Estamos inundados de neutrinos. Se encuentran entre las dos docenas de partículas subatómicas más ligeras conocidas y provienen de todas las direcciones: del Big Bang que comenzó el universo, de las estrellas en explosión y, sobre todo, del sol. Vienen directamente a través de la tierra a casi la velocidad de la luz, todo el tiempo, día y noche, en enormes cantidades. Alrededor de 100 billones de neutrinos pasan por nuestros cuerpos cada segundo.
contenido relacionado
- Abriendo Portales Extraños en Física
El problema para los físicos es que los neutrinos son imposibles de ver y difíciles de detectar. Cualquier instrumento diseñado para hacerlo puede sentirse sólido al tacto, pero para los neutrinos, incluso el acero inoxidable es principalmente un espacio vacío, tan abierto como un sistema solar para un cometa. Además, los neutrinos, a diferencia de la mayoría de las partículas subatómicas, no tienen carga eléctrica, son neutros, de ahí el nombre, por lo que los científicos no pueden usar fuerzas eléctricas o magnéticas para capturarlos. Los físicos los llaman "partículas fantasmas".
Para capturar estas escurridizas entidades, los físicos han realizado algunos experimentos extraordinariamente ambiciosos. Para que los neutrinos no se confundan con los rayos cósmicos (partículas subatómicas del espacio exterior que no penetran en la tierra), se instalan detectores en las profundidades del subsuelo. Se han colocado enormes en minas de oro y níquel, en túneles debajo de montañas, en el océano y en el hielo antártico. Estos dispositivos extrañamente hermosos son monumentos a la resolución de la humanidad de aprender sobre el universo.
No está claro qué aplicaciones prácticas surgirán del estudio de los neutrinos. "No sabemos a dónde nos llevará", dice Boris Kayser, físico teórico de Fermilab en Batavia, Illinois.
Los físicos estudian los neutrinos en parte porque los neutrinos son personajes muy extraños: parecen romper las reglas que describen la naturaleza en su forma más fundamental. Y si los físicos alguna vez van a cumplir sus esperanzas de desarrollar una teoría coherente de la realidad que explique los fundamentos de la naturaleza sin excepción, tendrán que dar cuenta del comportamiento de los neutrinos.
Además, los neutrinos intrigan a los científicos porque las partículas son mensajeros de los confines del universo, creados por la explosión violenta de galaxias y otros fenómenos misteriosos. "Los neutrinos pueden decirnos cosas que las partículas más húmedas no pueden", dice Kayser.
Los físicos imaginaron neutrinos mucho antes de que encontraran alguno. En 1930, crearon el concepto para equilibrar una ecuación que no estaba sumando. Cuando el núcleo de un átomo radiactivo se desintegra, la energía de las partículas que emite debe ser igual a la energía que contenía originalmente. Pero, de hecho, los científicos observaron que el núcleo estaba perdiendo más energía que los detectores. Entonces, para explicar esa energía extra, el físico Wolfgang Pauli concibió una partícula invisible adicional extra emitida por el núcleo. "He hecho algo muy malo hoy al proponer una partícula que no se puede detectar", escribió Pauli en su diario. "Es algo que ningún teórico debería hacer".
Los experimentadores comenzaron a buscarlo de todos modos. En un laboratorio de armas nucleares en Carolina del Sur a mediados de la década de 1950, estacionaron dos grandes tanques de agua afuera de un reactor nuclear que, según sus ecuaciones, deberían haber producido diez billones de neutrinos por segundo. El detector era pequeño para los estándares actuales, pero aun así logró detectar neutrinos, tres por hora. Los científicos habían establecido que el neutrino propuesto era de hecho real; estudio de la esquiva partícula acelerada.
Una década después, el campo se amplió cuando otro grupo de físicos instaló un detector en la mina de oro Homestake, en Lead, Dakota del Sur, a 4, 850 pies bajo tierra. En este experimento, los científicos se propusieron observar neutrinos al monitorear lo que sucede en la rara ocasión en que un neutrino choca con un átomo de cloro y crea argón radioactivo, que es fácilmente detectable. En el centro del experimento había un tanque lleno de 600 toneladas de un líquido rico en cloro, el percloroetileno, un fluido utilizado en la limpieza en seco. Cada pocos meses, los científicos descargaban el tanque y extraían unos 15 átomos de argón, evidencia de 15 neutrinos. El monitoreo continuó por más de 30 años.
Con la esperanza de detectar neutrinos en grandes cantidades, los científicos en Japón lideraron un experimento a 3, 300 pies bajo tierra en una mina de zinc. Super-Kamiokande, o Super-K como se le conoce, comenzó a funcionar en 1996. El detector consta de 50, 000 toneladas de agua en un tanque abovedado cuyas paredes están cubiertas con 13, 000 sensores de luz. Los sensores detectan un destello azul ocasional (demasiado débil para que nuestros ojos lo vean) que se produce cuando un neutrino choca con un átomo en el agua y crea un electrón. Y al rastrear la ruta exacta que recorrió el electrón en el agua, los físicos pudieron inferir la fuente, en el espacio, del neutrino en colisión. Descubrieron que la mayoría provenía del sol. Las mediciones fueron lo suficientemente sensibles como para que Super-K pudiera seguir el camino del sol a través del cielo y, desde casi una milla debajo de la superficie de la tierra, ver el día convertirse en noche. "Es realmente una cosa emocionante", dice Janet Conrad, física del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Las pistas de partículas se pueden compilar para crear "una imagen hermosa, la imagen del sol en neutrinos".
Pero los experimentos de Homestake y Super-K no detectaron tantos neutrinos como los físicos esperaban. La investigación en el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO, por sus siglas en inglés) determinó por qué. Instalado en una mina de níquel de 6.800 pies de profundidad en Ontario, SNO contiene 1.100 toneladas de "agua pesada", que tiene una forma inusual de hidrógeno que reacciona con relativa facilidad con los neutrinos. El fluido está en un tanque suspendido dentro de una enorme bola de acrílico que se sostiene dentro de una superestructura geodésica, que absorbe las vibraciones y en la que se cuelgan 9.456 sensores de luz, todo parece un adorno de árbol de Navidad de 30 pies de altura.
Los científicos que trabajan en SNO descubrieron en 2001 que un neutrino puede cambiar espontáneamente entre tres identidades diferentes, o como dicen los físicos, oscila entre tres sabores. El descubrimiento tuvo implicaciones sorprendentes. Por un lado, mostró que los experimentos anteriores habían detectado muchos menos neutrinos de lo previsto porque los instrumentos estaban sintonizados para un solo sabor de neutrino, del tipo que crea un electrón, y les faltaban los que cambiaron. Por otro lado, el hallazgo derribó la creencia de los físicos de que un neutrino, como un fotón, no tiene masa. (Oscilar entre sabores es algo que solo las partículas con masa pueden hacer).
¿Cuánta masa tienen los neutrinos? Para descubrirlo, los físicos están construyendo KATRIN, el experimento de neutrinos de tritio de Karlsruhe. El fin comercial de KATRIN cuenta con un dispositivo de 200 toneladas llamado espectrómetro que medirá la masa de átomos antes y después de que se descompongan radiactivamente, revelando así la masa que transporta el neutrino. Los técnicos construyeron el espectrómetro a unas 250 millas de Karlsruhe, Alemania, donde operará el experimento; El dispositivo era demasiado grande para las estrechas carreteras de la región, por lo que se lo subió a un bote en el río Danubio y se pasó flotando por Viena, Budapest y Belgrado, hacia el Mar Negro, a través del Egeo y el Mediterráneo, alrededor de España, a través del Canal de la Mancha., a Rotterdam y al Rin, luego hacia el sur hasta el puerto fluvial de Leopoldshafen, Alemania. Allí fue descargado en un camión y cruzó la ciudad hasta su destino, dos meses y 5.600 millas después. Está programado para comenzar a recopilar datos en 2012.
Físicos y astrónomos interesados en la información que los neutrinos del espacio exterior pueden transportar sobre las supernovas o galaxias en colisión han establecido "telescopios" de neutrinos. Uno, llamado IceCube, está dentro de un campo de hielo en la Antártida. Cuando se complete, en 2011, consistirá en más de 5, 000 sensores de luz azul (ver diagrama arriba). Los sensores están dirigidos no hacia el cielo, como es de esperar, sino hacia el suelo, para detectar neutrinos del sol y el espacio exterior que están llegando a través del planeta desde el norte. La tierra bloquea los rayos cósmicos, pero la mayoría de los neutrinos atraviesan el planeta de 8, 000 millas de ancho como si no estuviera allí.
Se está llevando a cabo un experimento de neutrinos a larga distancia en varios estados del medio oeste. Un acelerador de alta energía, que genera partículas subatómicas, dispara haces de neutrinos y partículas relacionadas hasta seis millas de profundidad, debajo del norte de Illinois, a través de Wisconsin y en Minnesota. Las partículas comienzan en Fermilab, como parte de un experimento llamado Búsqueda de oscilación del neutrino del inyector principal (MINOS). En menos de tres milésimas de segundo, golpearon un detector en la mina de hierro de Soudan, a 450 millas de distancia. Los datos que los científicos han recopilado complican su imagen de este mundo infinitesimal: ahora parece que las formas exóticas de neutrinos, los llamados antineutrinos, pueden no seguir las mismas reglas de oscilación que otros neutrinos.
"Lo que es genial", dice Conrad, "es que no es lo que esperábamos".
Cuando se trata de neutrinos, muy poco es.
El último libro de Ann Finkbeiner, A Grand and Bold Thing, trata sobre el Sloan Digital Sky Survey, un esfuerzo por mapear el universo.
La mayoría de los neutrinos que nos bombardean provienen del sol, que se muestra aquí en una imagen ultravioleta. (NASA) 
El cavernoso detector Super-Kamiokande en Japón está revestido con 13, 000 sensores para detectar signos de neutrinos. Los trabajadores en un bote monitorean el dispositivo mientras se llena de agua. (Observatorio Kamioka, ICRR (Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos), Universidad de Tokio) 
En una serie de reacciones en el núcleo del sol, los átomos de hidrógeno crean helio a través de la fusión. El proceso libera energía y partículas subatómicas, incluidos los neutrinos. Cuando un fotón, o partícula de luz, abandona el núcleo denso del sol, queda atrapado en el calor y la furia y puede no alcanzarnos durante millones de años. Pero un neutrino solar no se inmuta y llega a la tierra en ocho minutos. (Samuel Velasco / 5W Infografía) 
El Observatorio de Neutrinos de Sudbury de Canadá confirmó que un neutrino puede cambiar su identidad. (SNO) 
Los físicos del Brookhaven National Laboratory en Nueva York, que se muestran aquí en el detector STAR del laboratorio, esperan disparar un haz de neutrinos bajo tierra a la mina Homestake en Dakota del Sur. (BNL) 
El detector de neutrinos MINOS en Minnesota es el blanco de haces de neutrinos disparados desde Illinois. (Servicios de medios visuales Fermilab) 
El espectrómetro KATRIN, que medirá la masa del neutrino, se estrujó a través de Leopoldshafen, Alemania, en ruta hacia un laboratorio. (Instituto de Tecnología de Karlsruhe) 
El detector de neutrinos IceCube en la Antártida está incrustado en el hielo. Con 5, 000 sensores conectados a más de 70 líneas, IceCube buscará neutrinos que hayan pasado 8, 000 millas a través del planeta. (Universidad de Wisconsin-Madison) 
Una serie de sensores desciende a un agujero de 8, 000 pies de profundidad. (Jim Haugen / Fundación Nacional de Ciencias)
