NEUTRINOS Y ANTINEUTRINOS

Introducción

Los científicos tenían serias complicaciones relacionadas con la emisión de partículas beta por los núcleos radiactivos. La partícula emitida por un núcleo radiactivo, por lo general lleva una considerable cantidad de energía. ¿Y de dónde procede esa energía? Es creada por la conversión en energía de una pequeña parte de la masa del núcleo; en otras palabras, el núcleo siempre pierde un poco de masa en el acto de expeler la partícula. Los físicos se han visto durante mucho tiempo turbados por el hecho de que, a menudo, la partícula beta emitida en una desintegración del núcleo no alberga energía suficiente para tener en cuenta la cantidad de masa perdida por el núcleo.  Las partículas alfa emitidas por un nucleido particular poseían iguales energías en cantidades inesperadas. En ese caso, ¿qué era erróneo en la emisión de partículas beta? ¿Qué había sucedido con la energía perdida?

En 1931, Wolfgang Pauli sugirió una solución para el enigma de la energía desaparecida. Tal solución era muy simple: junto con la partícula beta del núcleo se desprendía otra, que se llevaba la energía desaparecida. Esa misteriosa segunda partícula tenía propiedades bastante extrañas. No poseía carga ni masa. Lo único que llevaba mientras se movía a la velocidad de la luz era cierta cantidad de energía. A decir verdad, aquello parecía un cuerpo ficticio creado exclusivamente para equilibrar el contraste de energías.

Sin embargo, tan pronto como se propuso la posibilidad de su existencia, los físicos creyeron en ella. Y esta certeza se intensificó al descubrirse el neutrón y al saberse que se desintegraba en un protón y se liberaba un electrón, que, como en la decadencia beta, portaba insuficientes cantidades de energía. Enrico Fermi dio a esta partícula putativa el nombre de "neutrino", palabra italiana que significa "pequeño neutro".

El neutrón dio a los físicos otra prueba palpable de la existencia del neutrino. Como ya hemos dicho, casi todas las partículas describen un movimiento rotatorio. Esta rotación se expresa, más o menos, en múltiplos de una mitad según la dirección del giro. Ahora bien, el protón, el neutrón y el electrón tienen rotación y una mitad. Por tanto, si el neutrón con rotación de una mitad origina un protón y un electrón, cada uno con rotación de una mitad, ¿qué sucede respecto a la ley sobre conservación del momento angular? Aquí hay algún error. El protón y el electrón totalizan una unidad con sus rotaciones (si ambas rotaciones siguen la misma dirección) o cero (si sus rotaciones son opuestas); pero sus rotaciones no pueden sumar jamás una mitad. Sin embargo, por otra parte, el neutrino viene a solventar la cuestión. Supongamos que la rotación del neutrón sea + 1/2. Y admitamos también que la rotación del protón sea + 1/2, y la del electrón, - 1/2, para dar un resultado neto de 0. Demos ahora al neutrino una rotación de + 1/2, y la balanza quedará equilibrada.

+ 1/2 (n) = + 1/2 (p) - 1/2 (e) + 1/2 (neutrino)

Pero aún queda algo por equilibrar. Una sola partícula (el neutrón) ha formado dos partículas (el protón y el electrón), y, si incluimos el neutrino, tres partículas. Parece más razonable suponer que el neutrón se convierte en dos partículas y una antipartícula. En otras palabras: lo que realmente necesitamos equilibrar no es un neutrino, sino un antineutrino.

El propio neutrino surgiría de la conversión de un protón en un neutrón. Así, pues, los productos serían un neutrón (partícula), un positrón (antipartícula) y un neutrino (partícula). Esto también equilibra la balanza.

En otras palabras, la existencia de neutrinos y antineutrinos debería salvar no una, sino tres, importantes leyes de conservación: la de conservación de la energía, la de conservación del espín y la de conservación de partículas/antipartículas. Es importante conservar esas leyes puesto que parecen estar presentes en toda clase de reacciones nucleares que no impliquen electrones o positrones, y seria muy útil si también se hallasen presentes en reacciones que incluyesen esas partículas.

Las más importantes conversiones protón-neutrón son las relacionadas con las reacciones nucleares que se desarrollan en el Sol y en los astros. Por consiguiente, las estrellas emiten radiaciones rápidas de neutrinos, y se calcula que tal vez pierdan a causa de éstos el 6 u 8 % de su energía. Sin embargo, esto es cierto sólo para estrellas tales como nuestro Sol. En 1961, el físico americano Hong Yi Chiu manifestó que cuando se elevan las temperaturas centrales de un astro, pueden ser importantes las reacciones productoras de neutrinos adicionales. Cuando una estrella, en su curso evolutivo, progresa hacia un centro de temperatura cada vez más elevada, los neutrinos le arrebatarán su energía en proporción creciente.

Esto tiene una gran importancia. El método habitual de transmitir energía (mediante los fotones) es lento. Los fotones mantienen una interacción con la materia y se abren camino desde el centro del Sol hacia la periferia, tras innumerables series de absorciones y reemisiones. Por consiguiente, aunque la temperatura, en el centro del Sol, sea de 15.000.000 ºC, su superficie está sólo a 6.000 ºC. La sustancia solar es un buen aislante del calor.

Sin embargo, los neutrinos no mantienen virtualmente interacción con la materia. Se ha calculado que el neutrino corriente podría atravesar 100 años luz de plomo sólido sin que sus probabilidades de resultar absorbido superaran el 50 %. Cualquier neutrino lanzado en nuestra dirección, nos atravesará sin afectarnos en forma alguna. Así ocurrirá siempre, día y noche, pues con la oscuridad, cuando la masa terrestre se interpone entre nosotros y el Sol, los neutrinos pueden atravesar fácilmente tanto la Tierra como nuestros cuerpos. Según calcula Chiu, cuando se alcanza la temperatura central de unos 6.000.000.000 ºC, casi toda la energía del astro se deposita en los neutrinos. Estos parten al instante, llevándose consigo la energía, y el centro solar se enfría de un modo drástico. Tal vez sea esto lo que determine la catastrófica contracción, que luego se manifiesta en forma de una supernova.

Probando la existencia del antineutrino

Cualquier conversión neutrón-protón origina antineutrinos, mas por ahora no se sabe que éstos actúen en las vastas proporciones que conducen a esos aludes de neutrinos procedentes de cada estrella. Las fuentes más importantes de antineutrinos son la radiactividad natural y la fisión del uranio.

¿Cómo detectar una entidad tan nebulosa cual el neutrino, un objeto sin masa ni carga y prácticamente sin tendencia alguna a la interacción con la materia corriente? Sin embargo, aún quedaba una leve esperanza. Y si bien parecen extremadamente reducidas, no son nulas las probabilidades de que un neutrino reaccione ante cualquier partícula. El atravesar cien años luz de plomo sin experimentar modificación, se considera como un promedio; pero ciertos neutrinos reaccionarán con una partícula antes de alcanzar semejante distancia, y algunos (una proporción ínfima, casi inconcebible, del número total) detendrán su carrera ante el equivalente de 2,5 mm de plomo.

En 1953, un equipo de físicos dirigido por Clyde L. Cowan y Frederick Reines, del Los Alamos Scientific Laboratory, intentaron abordar lo "casi imposible". Instalaron los aparatos para detectar antineutrinos junto a un inmenso reactor de fisión de la Atomic Energy Commission, a orillas del río Savannah, en Georgia. El reactor proporcionaría corriente de neutrones, que liberarían aludes de antineutrinos, o al menos así se esperaba. Para capturarlos, los investigadores emplearon grandes tanques de agua. El plan consistió en dejar que los antineutrinos bombardearan los protones (núcleos de hidrógeno) dentro del agua, al objeto de poder detectar así los resultados cuando un protón capturara un antineutrino.

¿Qué sucedería? Cuando el neutrón se desintegra, desprende un protón, un electrón y un antineutrino. Ahora bien, la absorción del antineutrino por el protón debería originar, fundamentalmente, lo contrario. Es decir, el protón debería convertirse en neutrón al emitir un positrón en el proceso. Así, pues, sería preciso estar atento a dos acontecimientos: 1) La creación de neutrones. 2) La creación de positrones. Para detectar los neutrones, se disolvería un compuesto de cadmio en el agua, pues cuando el cadmio absorbe los neutrones, emite rayos gamma de energía característica. Y los positrones se podrían identificar por su interacción aniquiladora con los electrones, lo cual originaría otra especie de rayos gamma. Si los instrumentos de los investigadores detectaran esos rayos gamma de energías tan reveladoras, con el intervalo exacto, se podría tener la certeza de que habrían captado los antineutrinos.

Los investigadores pusieron a punto sus ingeniosos artificios detectores y esperaron pacientemente hasta 1956, en que lograron capturar el antineutrino. Hacía entonces veinticinco años que Pauli había descubierto la partícula.

Probando la existencia del neutrino

Para llegar hasta el auténtico neutrino necesitamos alguna fuente rica en neutrinos. Y la idónea es, evidentemente, el Sol. ¿Qué sistema puede emplearse para detectar el neutrino como elemento opuesto al antineutrino? Se perfila una posibilidad (según cierta sugerencia del físico italiano Bruno Pontecorvo) con el cloro 37, que representa, aproximadamente, 1/4 de todo el cloro contenido en los átomos. Su núcleo posee 17 protones y 20 neutrones. Si uno de esos neutrones absorbe un neutrino, se transforma en protón (y desprende un electrón). Entonces, el núcleo tendrá 18 protones y 19 neutrones, y será el argón 37.

Para constituir un blanco aceptable de neutrones-cloro se podría usar el cloro líquido; pero se trata de una sustancia muy corrosiva y tóxica; además, si se quiere mantener líquida, se ha de resolver un problema de refrigeración. En su lugar podemos utilizar compuestos orgánicos que contengan cloro; para este propósito es adecuado el tetracloroetileno.

En 1956, el físico americano Raymond R. Davis tendió dicha "trampa" al neutrino, para demostrar que existe realmente una diferencia entre el neutrino y el antineutrino. Suponiendo que ambas partículas fueran distintas, la "trampa" detectaría sólo neutrinos, no antineutrinos. Cuando fue montada junto a un reactor de fisión en condiciones que le permitieran detectar antineutrinos (suponiendo que éstos fuesen idénticos a los neutrinos), no los detectó.

Luego se intentó detectar los neutrinos del Sol. Para ello, se empleó un enorme tanque con 450.000 litros de tetracloroetileno. Se instaló en una profunda mina de Dakota del Sur, o sea, que encima había la tierra suficiente para absorber cualesquiera partículas que llegaran del Sol, excepto los neutrinos. Aquel tanque permaneció expuesto a los neutrinos solares durante varios meses, para que el argón 37 tuviera tiempo de acumularse en cantidad apreciable. Luego se llenó el tanque hasta el borde con helio, se mantuvo así veintidós horas y se determinó la minúscula cantidad de argón 37. En 1968 se detectaron los neutrinos solares, pero en una cantidad inferior a la mitad de lo que se había supuesto, según las teorías actuales acerca de lo que ocurre en el interior del Sol. Ahora bien, para esto se requieren unas técnicas experimentales enormemente laboriosas, y, además, en este sentido nos hallamos todavía en los comienzos.

¿Tiene masa el neutrino?

En la actualidad se conocen doce leptones, como ya hemos visto: el electrón negativo y positivo, el muón positivo y negativo, el tauón positivo y negativo, el electrón neutrino y antineutrino, el muón neutrino y antineutrino, y el tauón neutrino y antineutrino. De una forma clara se hallan divididos en tres niveles (o como los físicos dicen ahora sabores). Existe el electrón y el asociado neutrino y sus antipartículas; el muón y su asociado neutrino y sus antipartículas; y el tauón y su asociado neutrino y sus antipartículas.

Dado que existen esos tres sabores, no hay razón para que no pueda haber otros. Pero si nos confinamos a los tres sabores conocidos en la actualidad, el misterio de los neutrinos resulta desconcertante. ¿Cómo puede haber tres pares fermión sin masa y sin carga, cada uno de ellos claramente diferente en tanto tienen lugar las interacciones de partículas y, sin embargo, sin ninguna propiedad particular al parecer?

Tal vez exista una propiedad distintiva, pero no la hemos buscado de modo apropiado. Por ejemplo, los tres sabores del neutrino se supone que poseen masa cero y, por lo tanto, se mueven siempre a la velocidad de la luz. Sin embargo, supongamos que cada sabor de neutrino tiene una masa muy pequeña, diferente de la de los otros dos. En ese caso sus propiedades, naturalmente, serían levemente diferentes de uno a otro. Por ejemplo, cada uno viajaría levemente por debajo de la velocidad de la luz, y la cantidad a la que disminuiría esa velocidad, sería algo diferente en cada uno de ellos.

Existen razones teóricas para discutir, en tal caso, que cualquier neutrino, mientras viaja, cambia su identidad, siendo un electrón-neutrino a veces, un muón-neutrino en otras ocasiones, o bien hasta un tauón-neutrino en otros momentos. Esos cambios representan oscilaciones de neutrino, sugerido por primera vez como una posibilidad en 1963 por un grupo de físicos japoneses.

En los últimos años 1970, Frederick Reines, uno de los detectadores originales del neutrino, junto con Henry W. Sobel y Elaine Pasierb, de la Universidad de California, lograron hacer una prueba al respecto. Emplearon unos 1.000 kilogramos de un agua pesada muy pura y los bombardearon con neutrinos procedentes de uranio fisionado. Este proceso debería producir sólo electrón-neutrinos.

Los neutrinos pueden originar uno u otro de esos acontecimientos. Un neutrino golpea la combinación protón-neutrón del pesado núcleo de hidrógeno en el agua pesada, desintegrándolo y prosiguiendo el movimiento. Se trata de una reacción de corriente sin carga, y cualquiera de los sabores de neutrino puede llevarlo a cabo. En segundo lugar, el neutrino, al golpear contra la combinación protón-neutrón, induce un cambio del protón en un neutrón, originando un electrón; en este caso, el neutrino deja de existir. Se trata de una reacción de corriente con carga, y sólo lo consigue el electrón-neutrino.

Se puede calcular cuántos de esos tipos de sucesos tendrían lugar si los neutrinos no oscilasen y permaneciesen sólo como electrón-neutrinos, y cuántos si los neutrinos oscilasen y algunos cambiasen. En 1980, Reines anunció que su experimento parecía demostrar la existencia de la oscilación del neutrino. (Digo "parecía" porque el experimento se encontró muy cerca del límite de lo detectable, y porque otros experimentadores que han comprobado este asunto han informado no haber detectado signos de dicha oscilación.)

El asunto continúa dudoso, pero experimentos realizados por físicos de Moscú, implicando un punto que no tiene nada que ver con oscilaciones, parecen mostrar que el electrón-neutrino posee una masa de, posiblemente, hasta 40 electrón-voltios (eV). Esto le daría una masa de 1/13.000 de la de un electrón, por lo que no hay que extrañarse de que dicha partícula haya pasado por carente de masa.

Si Reines está en lo correcto, pues, y existe una oscilación de neutrino, ello explicaría la escasez de neutrinos procedentes del Sol que resulta tan intrigante para los científicos. El mecanismo utilizado por Davis para detectar neutrinos solares, sólo daría un electrón-neutrino. Si los neutrinos emitidos por el Sol oscilasen, en ese caso llegarían a la Tierra en una mezcla de tres sabores tal vez en iguales cantidades, por lo que no hay que maravillarse de que sólo detectemos una tercera parte de los neutrinos que esperábamos.

Así, también, si los neutrinos tienen una pequeña cantidad de masa, aunque sólo sea el 1/13.000 de un electrón, en ese caso habría muchos neutrinos en el espacio, y todos ellos juntos harían posible calcular que se encuentran muy lejos de aventajar a todos los protones y neutrones. Más del 99% de la masa del Universo estaría compuesta por neutrinos, y podrían fácilmente representar la "masa perdida". En realidad, existiría la suficiente masa de neutrinos en el Universo para cerrarlo y asegurar que, en su momento, la expansión se detendría y el Universo comenzaría a contraerse de nuevo. Todo esto si Reines está en lo cierto. Pero todavía no lo sabemos.