Neutrino

Partículas subatómicas

Los neutrinos son partículas subatómicas: es decir, que son más pequeñas que un átomo. Aunque se logró descubrir que tienen masa, esta es tan minúscula que su medición resulta casi imposible.

Es interesante señalar que los neutrinos se desplazan a una velocidad cercana a la de la luz. Por eso están considerados como materia oscura caliente.

Al carecer de carga eléctrica y tener una masa insignificante, los neutrinos casi no establecen interacciones con la materia. Esta particularidad hace que sean difíciles de detectar.

Dada la magnitud de su masa, el neutrino electrónico se mueve a una velocidad que siempre está próxima a la de la luz, razón por la cual la comunidad científica creía que no tenía masa. Con el tiempo descubrieron su oscilación, un fenómeno que les permite cambiar de sabor (el atributo que permite distinguir un quark de otro), algo imposible sin masa, razón por la cual actualizaron su información.

El neutrino electrónico no cuenta con carga eléctrica y su detección es difícil. Esto último se debe a que su interacción siempre es débil. Además, a causa del mencionado fenómeno de oscilación, tampoco es fácil distinguirlo de los neutrinos muónico y tauónico, los cuales en principio tienen una descripción equivalente.

Detección

Como mencionamos más arriba, la detección de estas partículas no es fácil. Se cree que cada segundo nos atraviesan miles de millones de neutrinos sin que seamos conscientes de ello. El primer experimento mediante el cual fue posible detectar neutrinos estuvo a cargo de Clyde Cowan y Frederick Reines, en la planta de Savannah River de los Estados Unidos en el año 1956. En aquel momento, pudieron observar antineutrinos electrónicos provenientes del reactor nuclear.

En 1967, el físico Raymond Davis consiguió un sistema efectivo para detectar neutrinos haciendo uso del cloro-37, el cual puede absorber estas partículas y convertirse en argón-37. Si bien no es un método infalible, las características de este material lo vuelven muy propenso a reaccionar con los neutrinos; a esto se suma que es de fácil obtención. Además, dado que el argón-37 es radioactivo, es posible detectar sus emisiones.

Palabra de experto

Consultamos al físico Juan José Gómez-Cadenas, profesor IKERBASQUE en el Donostia International Physics Center (DIPC) y director del experimento NEXT, sobre la importancia del estudio de los neutrinos y del proyecto que dirige.

El universo no debería existir.

Por una razón muy sencilla. A primera vista, la naturaleza no distingue entre materia y antimateria. Si colisionamos dos partículas de alta energía, como se hace en el gran acelerador LHC del CERN y contamos el número de electrones (e-) y positrones (e+) que se emiten en ese “pequeño Big Bang”, el número es idéntico. Eso nos lleva a pensar que en el Big Bang original también se produjeron en idénticas cantidades.

Pero cuando un electrón y un positrón se encuentran, se aniquilan entre sí, produciéndose dos cuantos de luz de alta energía. Ese es, por cierto, el principio de operación del scanner PET.

En el Big Bang, todos los electrones de materia deberían haberse aniquilado con los positrones de antimateria. El universo que conocemos, compuesto primariamente de materia, no debería haber existido.

Excepto si en ese universo primitivo existía una partícula especial, un agente doble, capaz de comportarse, según la ocasión lo requiriera como materia o antimateria. Ese agente doble pudo haber sido un neutrino primitivo, sin carga eléctrica que le obligara a escoger bando.

Como todo agente doble, el neutrino tenía una agenda que favorecía a la materia sobre la antimateria. Sus desintegraciones inyectaron un pequeño exceso de electrones en el universo. Ese pequeño exceso (los restos de un naufragio cósmico en el que la mayoría de los navegantes perecieron, como los marinos de las naves de Ulises) es el universo que conocemos.

Si eso ocurrió verdaderamente así, hay una manera de demostrarlo. Encontrar una reacción nuclear muy rara, llamada desintegración doble beta (sin neutrinos). Se llama doble beta porque se emiten dos beta (electrones). Se llama “sin neutrinos” porque los dos neutrinos que deberían acompañarlos se aniquilan entre sí (antes de producirse). Eso es sólo posible si el neutrino es su propia antipartícula.

NEXT busca detectar la desintegración doble beta sin neutrinos utilizando el xenón (un gas noble, presente en pequeñas trazas en la atmósfera) como blanco y como detector.

Para ello operamos una cámara de gas xenón, a alta presión en el interior del laboratorio subterráneo de Canfranc. En los últimos 15 años hemos pasado de construir detectores con un kilogramo de gas, al actual, con 100 kg. Si no encontramos la señal que buscamos, planeamos llegar hasta una tonelada de gas xenón.

Si la desintegración doble beta (sin neutrinos) se da en el xenon, esperamos observar la aparición de dos electrones en mitad del detector. Nuestro aparato es, en esencia, un aparato para filmar la historia de esos electrones.

El experimento es muy difícil. La señal que buscamos es muy rara y el ruido de fondo debido a la radioactividad natural es muy alto. Por eso nos ha costado 15 años desarrollar la tecnología para buscar la señal y por eso operamos bajo la montaña del Tobazo, a salvo de los rayos cósmicos. Encontrar la señal podría llevarnos otros 5, 10, o 20 años. Hacemos investigación de alto riesgo. Nos echamos al mar sin saber si avistaremos las costa de Ítaca.

En el experimento NEXT participan unos cien físicos de diversas universidades de Europa y Estados Unidos.

Como las puertas de Moira bajo la gran montaña, las de nuestro laboratorio se abren a los visitantes con una simple fórmula.

Di amigo y entra.

Juan José Gómez-Cadenas