Pecado I: la gula de los neutrinos

Dear Radioactive Ladies and Gentlemen…

Wolfgang Pauli en la carta donde postuló la existencia del neutrino

Vivimos en el mundo de los neutrinos. Cada segundo miles de millones de neutrinos están atravesando tu cuerpo (y el mío). No puedes verlos, ni sentirlos, pero están ahí. Algunos se generaron en el Big Bang, otros se generan en el Sol y en las supernovas e incluso nuestro cuerpo emite unos 5000 neutrinos por segundo debido al potasio radioactivo de los plátanos que comemos. Recorren el espacio casi a la velocidad de la luz y muy raramente interactúan con la materia. Y lo mejor de todo es que tienen masa y no sabemos porqué

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Wolfgang Pauli

La historia de los neutrinos siempre ha estado rodeada de misterio. Rondaban los años 30 cuando Wolfgang Pauli se encontraba estudiando las desintegraciones beta, en la que un neutrón se transforma en un protón produciendo también un electrón. Pauli observó que había parte de la energía que se perdía durante la desintegración. ¿Dónde estaba esa energía? Niels Bohr creía que probablemente, en la vorágine del núcleo atómico, sucedía algún extraño fenómeno que provocaba que la energía no se conservase. Pauli se aventuró a ir en contra del maestro y predijo que debía existir una partícula neutra, que raramente interactúa y que se llevaba esa energía que parecía desaparecer. Aunque el mismo Pauli ya vaticinaba que sería una partícula muy difícil de descubrir.

En 1933, Enrico Fermi le tomó la palabra a Pauli y formuló una teoría para explicar la desintegración beta y que más tarde daría lugar a la interacción débil. En ella incluía la supuesta partícula fantasma a la cuál bautizó siguiendo el canon italiano como “neutrino“, el neutrón piccolino.

Pero Pauli llevaba razón cuando decía que sería complicado de detectar ya que no fue hasta 1956 que Clyde Cowan y Fred Reines detectaron los primeros neutrinos producidos en el reactor nuclear de Savannah River en Estados Unidos.

Pero se descubrió un fenómeno notable, los neutrinos descubiertos eran todos zurdos…

Además de la masa y la carga, las partículas elementales tienen otra característica llamada espín. Siguiendo la analogía clásica (válida para esta entrada), viene a decir que las partículas “rotan” sobre sí mismas y lo pueden hacer en sentido horario o anti-horario. El eje de rotación del espín se puede alinear en el mismo sentido de movimiento que la partícula (partícula diestra) o hacerlo en sentido opuesto (partícula zurda). A esta característica la llamamos helicidad.

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Helicidad de los neutrinos: neutrinos zurdos (izquierda) y neutrinos diestros (derecha)

Según las leyes de conservación,en este caso la conservación del momento angular deberían crearse la misma cantidad de neutrinos diestros que zurdos. Pero los neutrinos diestros no aparecen por ninguna parte. Nunca hemos sido capaces de descubrir uno solo. Este hecho implicaría que los neutrinos deben viajar a la velocidad de la luz y no tener masa alguna. ¿Por qué?

Experimento mental: Imagina que un neutrino es zurdo (gira en sentido horario respecto la dirección de movimiento) y viaja, digamos a 10 quilómetros por hora. Te subes a la bicicleta y te pones a perseguir al neutrino a, digamos, 15 quilómetros por hora. Respecto a ti, ahora el neutrino se está acercando a una velocidad de 5 quilómetros por hora. Es decir, su dirección de movimiento en tu sistema de referencia ha cambiado mientras que mantiene el mismo sentido de giro. En consecuencia pasa de ser zurdo a ser diestro.

De manera que la única manera de evitar este fenómeno es que viajen a la velocidad de la luz y, por lo tanto, no tengan masa, ya que ningún cuerpo masivo puede viajar a la velocidad de la luz.

Os así se pensaba hasta que llegaron los primeros detectores de neutrinos. Grandes tanques de agua pura rodeadas de cientos de sensores preparados para captar cualquier señal que puedan dejar las escurridizas partículas.

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Detector de neutrinos

¿De dónde sacamos los neutrinos? Disponemos de dos fuentes principales de neutrinos. Por un lado tenemos los neutrinos que vienen del Sol y por otro los neutrinos que generamos en centrales nucleares y aceleradores de partículas. Los neutrinos que se generan en el Sol son de tipo electrónico, para decir que están asociados con el electrón y diferenciarlos de los otros dos tipos: muónico y tauónico, que se suelen generar en aceleradores.

Y es aquí donde, en los años 90, se produjo en otro fenómeno destacable. Se observó que los neutrinos podían cambiar de tipo. Es decir, un neutrino electrónico podía pasar a ser de tipo muónico. Es lo que se conoce como las oscilaciones de neutrinos. El Modelo Estándar prohíbe tajantemente este hecho. Y lo prohíbe porque los neutrinos pueden oscilar solamente si asumimos  que tienen masa.

El descubrimiento lo llevaron a cabo dos equipos observando los neutrinos solares por un lado y los neutrinos generados en un acelerador por otro lado.  Tiene tanto peso (nunca mejor dicho) que los dos equipos han sido galardonados este año 2015 con el premio Nobel de física. Por ese motivo, recientemente se ha escrito mucho sobre las oscilaciones de neutrinos así que no me voy a extender más. Como siempre, Francis Villatoro proporciona un buen resumen de los experimentos.

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Kajitoa y McDonald premios Nobel de Física del 2015 por el descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos.

Entonces ¿tienen masa o no? La teoría dice que no. Los experimentos dicen que sí. Ergo, la teoría es incompleta.

Visto que el Modelo Estándar no proporciona una explicación ni al hecho de que los neutrinos sean zurdos ni de porqué su masa es tan pequeña, algo diferente hay que pensar.

El mecanismo más extendido entre los físicos por el cual los neutrinos tienen masa se conoce como “seesaw” o balancín en inglés. Y es que el mismo nombre ya indica cómo funciona. En este mecanismo entran en juego las partículas de Majorana, que son partículas que son a la vez su propia antipartícula. Y ese es, precisamente, el caso de los neutrinos.

seesawEste enfoque permite que los neutrinos tengan masa y viajen a una velocidad menor que la de la luz. Si volvemos al experimento mental de antes, cuando adelantemos al neutrino, este mecanismo nos dice que lo que veremos realmente es un antineutrino diestro, que es precisamente el tipo de partícula que se observa cerca de las centrales nucleares. Entonces, si asumimos que el neutrino zurdo y el antineutrino diestro son la misma partícula, ¡problema resuleto! O no… Porque todavía falta explicar porqué la masa de los neutrinos es tan pequeña.

Dentro del esquema del seesaw, la masa de los antineutrinos no se generaría por la interacción con el famoso bosón de Higgs, como lo hacen el resto de las partículas. En este caso la masa de los antineutrinos diestros podría ser realmente grande. Debido a los efectos de la mecánica cuántica, la masa de los neutrinos zurdos dependería directamente de la masa del antineutrino. A más pequeña se la masa del neutrino más grande ha de ser la masa del antineutrino. Este es el efecto balancín. El neutrino puede ser tan ligero como quiera siempre que el antineutrino sea suficiente pesado. Y este es realmente el punto que los experimentos intentan demostrar actualmente.

Una de las consecuencias más sorprendentes de este mecanismo es que se puede incluir en modelos que predicen que, de manera natural y a energías suficientemente altas, las fuerzas fundamentales se unificarían en una sola fuerza que gobernaría todo el universo. Entre estas teorías se encuentra la supersimetría (SUSY) que quizás sea la extensión de Modelo Estándar más plausible. Pero este ya es tema que cubriría toda una entrada (o tres).

Y hasta aquí el primer gran pecado del Modelo Estándar. Es probablemente uno de los más fundamentales y en los que más esfuerzos se están invirtiendo hoy en día en muchos experimentos y muy diversos. Desde las colisiones de protones en el LHC hasta detectores situados bajo el hielo antártico.

Los descubrimientos que surjan de estos experimentos cambiarán para siempre el curso de la historia de la física.

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