El variable "sabor" de los neutrinos

A un kilómetro de profundidad en una mina japonesa, con un detector llamado Super-Kamiokande que es esencialmente una piscina de 50.000 metros cúbicos de agua, un grupo multinacional de 120 científicos habría obtenido indicaciones convincentes de que los neutrinos pueden oscilar entre un sabor y otro y que tienen por ende masa. ¿Qué quiere todo esto decir?Soñaba el alquimista con transmutar plomo en oro, algo que hoy sería factible, aunque más caro que el oro resultante. Los isótopos radiactivos se transmutan incluso de modo espontáneo y gratuito: carbono en nitrógeno, hierro en cobalto, oro en mercurio y un larguísimo etcétera. Todas estas transmutaciones tienen una misma explicación: en el núcleo del átomo original, un neutrón se desintegra transformándose en tres partículas: un protón, un electrón y un determinado tipo de neutrino.

Sabemos que existen neutrinos de al menos tres tipos distintos, que los físicos, como si de caramelos se tratase, llamamos sabores. El citado neutrino, que nace junto a un electrón, tiene sabor electrónico. Creíamos saber que el sabor con el que un neutrino nace es algo que no se olvida: si más tarde nuestro neutrino electrónico interacciona con la materia, recuerda su sabor y puede transmutarse de nuevo en un electrón (o más precisamente en un electrón positivo, o positrón). Los neutrinos de los otros dos sabores están cada cual asociado con una partícula elemental parecida al electrón (el muón o el tau), nacen con ella o se transmutan en ella. En la identidad de la partícula con la que están asociados consiste el sabor de un neutrino.

Los neutrinos que hoy nos ocupan proceden de las capas altas de la atmósfera terrestre. Hasta allí llegan, probablemente procedentes de lejanas explosiones estelares, diversas partículas llamadas rayos cósmicos, que son mayoritariamente protones. Al chocar con el oxígeno y nitrógeno del aire, los protones producen una variedad de otras partículas, casi todas las cuales se absorben en el aire o en la tierra. Pero algunas de las partículas producidas son neutrinos, y los neutrinos son algo inconcebiblemente penetrante: para absorber la mitad de los así producidos haría falta tanta tierra como cabria de aquí al Sol. Nuestro modesto planeta intercepta una fracción mínima de los neutrinos que lo atraviesan.

Ojos electrónicos

Mucho menor aún, pero decisiva, es la fracción interceptada por el pequeño detector que nos ocupa. El detector Super-Kamiokande es un gigantesco barril de agua con paredes cubiertas de grandes ojos electrónicos, llamados fotomultiplicadores.Los neutrinos no tienen carga eléctrica y atraviesan el agua sin dejar traza. Pero algunos chocan con los electrones, protones o neutrones que constituyen el agua y producen un chorro de partículas cargadas, que retroceden en la dirección en que iba el neutrino incidente. Entre estos productos se puede encontrar uno, por ejemplo un electrón, que denuncia el sabor del neutrino incidente: viajando en el agua produce una luz característica, que los fotomultiplicadores detectan. Así, el detector es capaz de determinar el sabor de los neutrinos y en qué dirección llegan.

Imaginemos dos trenes idénticos programados para avanzar al unísono sobre dos vías iguales y paralelas. A cada lado, los trenes tienen una fila continua de ventanas, pero éstas, una sí y otra no, tienen alternativamente la cortinilla bajada. Un observador delante de quien pasaran rápidamente los trenes vería a través de las ventanas abiertas lo que hay del otro lado de ambos, casi como si los trenes fuesen transparentes. Pero olvidé decir que el constructor se había ahorrado algunos materiales en uno de los trenes, que era consecuentemente más ligero que el otro y avanzaba algo más deprisa. Cuando un tren le saca al otro una ventana de ventaja, los trenes están desfasados: cada ventana cerrada de uno tapa una abierta del otro y un observador no vería nada a través, como si los trenes fueran opacos.

Más tarde y más lejos, un tren le saca al otro una ventaja de dos ventanas y vuelve a poderse ver a través de ellos. Y así sucesivamente: la apariencia de los trenes cambia con una cierta frecuencia, a medida que avanzan.

Con los neutrinos pasa lo mismo, o al menos eso concluyen los físicos de Super-Kamiokande. Un neutrino que se produce en la atmósfera con un determinado sabor puede consistir, como nuestra pareja de trenes, en dos componentes de masa distinta. Ambos componentes nacen con la misma energía, pero el más ligero avanza algo más rápido. Lo que en el caso de los trenes era la alineación de las ventanas, en el caso del neutrino es el sabor.

Tras recorrer un cierto camino, los componentes del neutrino se han desfasado y éste aparece con un sabor nuevo. Lo que sucede en la práctica es que los neutrinos que vienen de más cerca -de la atmósfera por encima de Japón- llegan a la mina con las fracciones esperadas de cada sabor. Sin embargo, a medida que vienen de más y más lejos -hasta que lo hacen desde la atmósfera de las antípodas de Japón- los neutrinos de uno de los sabores empiezan a no llegar en la cantidad esperada: habrían cambiado de sabor por el camino.

Los firmantes de este descubrimiento han hecho todas las pruebas de calibración y consistencia imaginables, la cantidad de datos es suficiente... y aun así el resultado tiene limitaciones. Una de ellas, en la analogía de los trenes, es que la ventaja observada es sólo de una ventana, no una, luego dos, tres, etcétera, lo cual sería más convincente.

Ahora en Canadá

El tamaño de la Tierra es insuficiente como para que estos neutrinos que, a lo más, viajan desde las antípodas, muestren oscilaciones completas: no sólo cambiando de un sabor a otro, sino continuando hasta recuperar su sabor inicial, para empezar de nuevo. La situación se aclarará, probablemente, cuando los datos se contrasten con los de un experimento competidor: el Sudbury Neutrino Observatory (SNO), que ha comenzado a funcionar recientemente en Canadá.La miga de todo el asunto es que, para poder cambiar de sabor, los componentes del neutrino han de tener masas distintas. Al menos uno de ellos ha de tener una masa que no es nula (el experimento mide la diferencia de los cuadrados de las masas). Ése es el anunciado descubrimiento: los neutrinos tendrían masa. Creemos que algunas partículas, como las de luz (fotones), no tienen masa. Entre las que sí la tienen, el récord de ligereza lo ostentaba hasta hoy el electrón. El récord habría sido superado: las masas de neutrinos que explicarían los cambios de sabor podrían ser mil millones de veces más pequeñas que la masa del electrón. ¿Y qué?

El universo parece tener mucha más masa de la que somos capaces de observar en forma de estrellas, planetas y gas. Neutrinos con masa podrían contribuir a esta misteriosa masa oscura del universo. Pero, contrariamente a lo que algunos de mis colegas han dejado entender a los medios de comunicación, para que los resultados de Super-Kamiokande tengan consecuencias cosmológicas decisivas, hay que interpretarlos con considerable optimismo: dos masas relativamente grandes tendrían una diferencia diminuta, algo muy cogido por los pelos. ¿Por qué las masas de las partículas son lo que son? La verdad es que no tenemos ni la menor idea. En el esclarecimiento de este misterio, la medida de las masas de algunas de las más misteriosas partículas -los neutrinos- podría ser un paso fundamental, dar la clave definitiva. Pero esta clave aún no la hemos logrado descifrar.