Los neutrinos

Los neutrinos son partículas de masa casi nula, que se originan en la desintegración de neutrones.

Los neutrinos han sido un enigma desde mediados del siglo XX

Uno de los grandes misterios de la ciencia ha sido esta insignificante partícula subatómica muy escurridiza: el neutrino.

En la imagen de portada se muestra un tanque de agua de 50 millones de litros. La imagen fue publicada en el periódico “La Razón”, por Alberto Aparici el 20 de septiembre de 2020.

Quienes vivimos fuera del mundo académico, no percibimos los gigantescos adelantos que están realizando miles de grandes laboratorios y decenas de miles de científicos, en investigaciones trascendentales.

Los neutrinos Raymond
Raymon Davis. Crédito: web rinconeducativo.org/es/

Raymond Davis (1914 – 2006) fue un físico estadounidense que  destacó por sus contribuciones pioneras en astrofísica, en particular en la detección de neutrinos procedentes del Sol y del espacio exterior.

En el año 1967, Raymond Davis consiguió que el Laboratorio Nacional BrookHaven, instalara un detector de neutrinos en el interior de una antigua mina de oro, en Dakota del Sur.

El detector era un gran depósito de 400.000 litros de percloretileno, situada a 1.500 metros de profundidad.

Se instaló el detector a esta gran profundidad para  que los rayos cósmicos procedentes del espacio, no pudieran llegar hasta el depósito. Solamente los esquivos neutrinos conseguirían atravesar esa pared rocosa de un kilómetro y medio de roca maciza.

Raymond Davis y sus colaboradores consiguieron detectar neutrinos, utilizando la peculiaridad de que los neutrinos que chocaban con los átomos de cloro, producían átomos de un isótopo reactivo del argón.

Los neutrinos
El gigantesco superdetector japones. Crédito: web nature.com/articles

Inspirado en estos interesantes hallazgos, el físico japonés Masatoshi Koshiba, consiguió, en 1980, el apoyo de la Universidad de Tokio para diseñar un experimento destinado específicamente a la detección de neutrinos solares y también de los neutrinos provenientes de supernovas, en cualquier parte de nuestra galaxia.

El trabajo culminó en 1995, con la construcción del detector denominado Super-Kamiokade, ubicado en las profundidades de una mina ubicada en la costa Este de Japón.

El detector está constituido por un gran tanque lleno de agua (50.000 toneladas de agua extra-pura). En este experimento, llamado Tokai to Kamioka (T2K), participan 508 científicos de 12 países, entre ellos, España.

En el año 1998, los científicos de este laboratorio anunciaron la primera evidencia de que los neutrinos tienen masa, aunque el valor es muy pequeño.

En el año 2002, Raymond Davis y Masatoshi Koshiva obtuvieron el premio Nobel de Física   por su trabajo en la detección de los esquivos neutrinos.

Los neutrinos Masatoshi
Masatoshi Koshiva (1926-2020). Crédito: es.wikipedia.org

En las entrañas del túnel de Somport, de 8.608 metros de longitud y que separa España de Francia, en Canfranc (Aragón), a casi un kilómetro de profundidad se encuentra un laboratorio en donde trabajan, desde 1985, el físico español Juan José Gómez y su equipo.

Realizan ahí un experimento destinado a poner a prueba las teorías que elaboran en el “Instituto de Física Corpuscular de la Universidad de Valencia”.

La incógnita que intentan despejar es si el neutrino es su propia antipartícula. Es decir, si puede ser materia y antimateria al mismo tiempo.
Esto sería absolutamente trascendental en la física. Demostrar esta hipótesis es un proceso lento, caro y muy complejo. Quien lo consiga ganará seguramente un premio Nobel.

Los neutrinos Pauli
Wolfgang Pauli (1900-1958). Crédito: web rinconeducativo.org/es/

El físico austriaco Wolfgang Ernst Pauli, es uno de los fundadores de la mecánica cuántica.

En 1930, cuando estudiaba la desintegración de núcleos radioactivos, Wolfgang Pauli descubrió que había una aparente pérdida de energía y momento lineal en la desintegración β de los neutrones.

Este fenómeno le hizo pensar en la posibilidad de que existieran unas partículas desconocidas hasta entonces.

Según había deducido Wolfgang Pauli, esas partículas ocultas tenían que estar desprovista de  masa, no deberían poseer ninguna carga eléctrica y no tendrían que estar afectada por la fuerza nuclear fuerte.

Estas tres características  teóricas hicieron que, con los medios disponibles en esos años, no fuera posible detectarlas en el laboratorio.

La idea de lo que después de denominó neutrino, quedó aparcada durante 25 años, hasta el año 1956, cuando se detectaron por primera vez los neutrinos.

Neutron
Neutrón con 3 quarks. Crédito: web es.wikiquote.org/wiki/

Los neutrones no son estables y su existencia probable es de sólo 15 minutos. Al desintegrarse, el neutrón produce un protón y un electrón.

Además, el neutrón desintegrado produce una tercera partícula que era muy difícil de detectar con los medios disponibles a mediados del siglo XX: el neutrino.

Los neutrinos
Un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino. Crédito: es.wikipedia.org/wiki/

La imagen muestra que un neutrón (n) se convierte en un protón (p), un electrón (e) y en un antineutrino.

Existe otro tipo similar de desintegración, en la cual un neutrón (n) se convierte en un protón (p), un electrón (e) y en un neutrino.

Hasta ahora, en el universo se conocen solamente tres clases de partículas estables: los electrones, los protones y los neutrinos.

Todas las otras partículas tienen una existencia muy efímera y se desintegran al cabo de unas pocas milésimas de segundo.

Esta circunstancia da mucho que pensar, si se reflexiona acerca de ello cuando miramos nuestro cuerpo, que se compone totalmente de electrones, protones y neutrones.

Reines
Frederick Reines, Nobel de Física 1995. Crédito: es.wikipedia.org/wiki/

El nombre del físico estadounidense Frederick Reines (1918 – 1998) está íntimamente asociado con el descubrimiento del neutrino y con la posterior investigación de sus propiedades fundamentales.

En 1956,  Frederick Reines y su colega Clyde Cowman  demostraron experimentalmente la existencia de los neutrinos.

Para ello, bombardearon agua pura con un haz que lanzaba 1018 neutrones por segundo.

Observando la emisión de fotones que originó este bombardeo, determinaron fehacientemente la existencia de estas pequeñisimas partículas.

En el año 1995, Reines fue galardonado con el Premio Nobel de Física, por el descubrimiento del neutrino y del antineutrino, que realizó junto con Clyde Cowman.

A partir de entonces, los estudios astronómicos y cosmológicos proporcionaron una sorprendente cantidad de información acerca de los neutrinos.

Inicialmente, se pensaba que el neutrino era una partícula sin masa y, por lo tanto, que viajaba a la velocidad de la luz, igual que los fotones.

Las observaciones astronómicas fueron las primeras en hacer ver a los físicos que los neutrinos tienen masa. La conexión entre experimentos de laboratorio, la astrofísica y la cosmología permite a los investigadores avanzar en los conocimientos de nuestro Universo.

Los últimos estudios han confirmado que los neutrinos tienen masa, aunque es muy poca, poquísima. Aunque no se conoce con exactitud la masa de un neutrino, se estima que es aproximadamente 500.000 veces más pequeña que la masa del electrón.

Los neutrinos no se ven afectados por la fuerza electromagnética ni por la fuerza nuclear fuerte; pero sí están afectados por la fuerza nuclear débil y por la fuerza de gravedad

Resulta curioso saber que del hecho de que en la Tierra se detecten tres clases de neutrinos (neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico) se puede deducir la cantidad de helio que se generó en el momento del Big Bang.

Los neutrinos del Sol
El Sol es una fuente de neutrinos. Crédito: NASA / SDO / AIA, web “nbcnews.com”

El Sol es la fuente más importante de los neutrinos que llegan a la Tierra.

Los procesos de desintegración beta de las reacciones que acaecen en el núcleo solar, generan enormes cantidades de neutrinos.

Como éstos no interaccionan fácilmente con la materia, escapan libremente del núcleo solar, llegan a la Tierra y la atraviesan sin apenas dificultad.

De hecho, un ser humano es atravesado, en cada segundo, por miles de millones de estas diminutas partículas, sin que se entere el individuo. Ha sido muy difícil concebir algún sistema que pudiese detectarlos.

Los neutrinos generados en las supernovas tipo II provocan la expulsión de buena parte de la masa de la estrella al medio interestelar.

Los neutrinos
El español Carlos Pobes en la Antártida. Crédito: web elmundo.es/elmundo/2012/02/15/ciencia/1329323292.html

En el año 2012, un grupo de 50 personas, entre ellas el español Carlos Pobes, de la Universidad de Zaragoza, empezaron un trabajo de 8 meses en la base científica estadounidense Amundsen-Scott en la Antártida.

Aprovechando los 3 km de espesor del hielo antártico, intentaron captar neutrinos procedentes de todos los rincones del espacio. El experimento involucró a 39 institutos de investigación de 11 países.