Los neutrinos encierran el secreto del Universo

Detector de neutrinos Daya Bay. /Wikipedia

Científicos e ingenieros de 30 países (entre ellos Chile, Colombia, México, España, Perú, Rusia, Turquía o Reino Unido), auspiciados en parte por el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN), construirán la excavación del mayor detector de neutrinos del mundo, el Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), que albergará el experimento internacional DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment).

“Desvelar los misterios de estas partículas podría ayudarnos a explicar mejor cómo funciona el Universo y por qué existe la materia”, según un comunicado del laboratorio Fermilab de Chicago, que también ha realizado el siguiente vídeo.

Las obras de la nueva instalación científica, que se completará en la próxima década, comenzarán con la excavación de más de 870.000 toneladas de rocas para crear las enormes cavernas subterráneas del detector DUNE. Antes de la construcción, será necesario excavar durante tres años, hasta llegar a los 1.480 metros de profundidad. Pero, ¿cuál es el interés que despierta esta esquiva partícula para que merezca tal inversión?

Nos tienen rodeados

Para empezar, los neutrinos son las partículas más numerosas del cosmos, después de los fotones. Billones de neutrinos atraviesan nuestro cuerpo cada segundo y casi nada puede detenerlos. Muchos de ellos son creados en reacciones entre la radiación cósmica (que procede del espacio) y la atmósfera superior de la Tierra (en la llamada ionosfera, donde se desatan reacciones en cadena de alta energía). Y otros son producidos en reacciones nucleares en el interior del Sol. Tienen muy poca masa, a diferencia de los protones y electrones que forman los átomos, así que cuando pasan junto a otras partículas, no interactúan con la materia y no nos enteramos de que están ahí. 

Su existencia fue sugerida por Wolfgang Pauli en 1930; ocho años después, Enrico Fermi elaboró una teoría y bautizó a la partícula, pero no fueron descubiertos hasta un cuarto de siglo después por los físicos Frederick Reines y Clyde Cowan. En 1957, observaron la reacción que algunos neutrinos producían en las moléculas, hllazgo por el que, en 1995, Raines consiguió el premio Nobel.

Contradicen la biblia de la Física

Años más tarde, Raymond Davis Jr. y John Bahcall afirmaron que los neutrinos venían del Sol, y decidieron atraparlos. Para ello, construyeron en la mina de Homestake (EE.UU.), a salvo de la radiación cósmica y la natural, un depósito del tamaño de una piscina olímpica lleno de lejía, con la idea de que si un neutrino interactuaba con un átomo del cloro de la lejía, lo convertiría en uno de argón, que se quedaría flotando. Sus suposiciones eran ciertas y, en 2002, también fue galardonado por la academia sueca.

Takaaki Kajita (Japón)y Arthur B. McDonald (Canadá) también obtuvieron el Nobel, en 2015, por sus "contribuciones a los experimentos que demostraron los cambios de identidad de los neutrinos, lo que implica que tienen masa". Sus investigaciones muestran que los neutrinos tienen, a la vez, masa y varias identidades, dos fenómenos que contradicen el modelo estándar de la Física, el marco teórico básico para los físicos.

Son amantes del camuflaje

Los experimentos de Davis y Bahcall encontraron neutrinos, pero nada que ver con la cantidad que ellos esperaban hallar, así que esta diferencia numérica pasó inmediatamente a convertirse en uno de los grandes misterios de la física.

La explicación no dejó indiferente a la comunidad científica: estas partículas se disfrazan. Esta curiosa propiedad se llama oscilar: un mismo neutrino va cambiando a lo largo de su trayectoria a tres tipos diferentes de partículas elementales: electrón, muón y tau; es decir, tienen diferentes sabores. La esencia es la misma, pero ciertas propiedades cambian. Lo que pasaba en el experimento es que solo interaccionaban los que estaban vestidos de electrón, mientras que los otros continuaban ocultos. La variación depende de la distancia y la energía del neutrino, que son diferentes en el lugar en el que se encuentren. Kajita y McDonald, consiguieron demostrar este fenómeno, que les valió que el astrofísico Michel Cassé los bautizara como “ángeles transexuales”.

La primera observación de neutrinos, en 1970. /Wikipedia

¿Han causado el Universo que conocemos?

Todas las partículas tienen asociadas antipartículas, que solo se diferencian de ellas en la carga eléctrica. Por ejemplo, el electrón,  de carga negativa, y el positrón, de carga positiva, tienen la misma masa y las mismas propiedades. Esto fue predicho por Paul Dirac en 1928, pero, en 1937, Ettore Majorana, determinó que en la clase de partículas conocidas como fermiones, que incluyen el protón, el neutrón, el electrón, el neutrino y el quark, debería haber partículas que son sus propias antipartículas.

Pero aunque el neutrino no tiene carga, los científicos han encontrado antineutrinos, que aún no se ha comprobado si son la antipartícula del neutrino o no. Y esta duda no es un asunto menor. Según predicciones de la física, de ser así, cabría la posibilidad de que en el universo primitivo hubiera existido un neutrino primario más pesado que los actuales, desintegrado en materia, creando electrones, y en antimateria, dando positrones. Produciendo esta división el universo que podemos observar hoy. Para saber si el neutrino es su propia antipartícula se ha puesto en marcha, entre otros, el experimento NEXT, en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (España).

Pueden ser una pieza clave de la Teoría del todo

Los científicos estudiarán las interacciones de los neutrinos en los detectores para entender mejor los cambios que sufren estas partículas cuando viajan velozmente (casi a la velocidad de la luz) de un punto a otro, y buscarán diferencias en el comportamiento entre los neutrinos y sus réplicas de antimateria, los antineutrinos, lo que podría dar pistas sobre por qué vivimos en un universo dominado por la materia.

Además, observarán los neutrinos producidos en las explosiones estelares, lo que revelaría la formación de estrellas de neutrones y agujeros negros. Y también investigarán si los protones viven para siempre o se desintegran en otras partículas, “acercándonos a la realización del sueño de Einstein: la Teoría de la Gran Unificación”, concluye la nota de Fermilab.

Beatriz de Vera
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