Oscilaciones de neutrinos

La energía radiada por el Sol en forma de ondas electromagnéticas, que percibimos en forma de luz y calor, tiene su origen en las reacciones de fusión nuclear que ocurren en su interior. En ellas también se producen neutrinos electrónicos. Hasta la llegada de SNO [Sudbury Neutrino Observatory, en Canadá] los detectores de neutrinos solares eran capaces de registrar solamente este tipo de neutrinos y casi todos encontraban que a la Tierra llegaban menos de los esperados de acuerdo con la teoría generalmente aceptada del funcionamiento del Sol.

Pero como los experimentos con neutrinos tienen la merecida reputación de ser difíciles y la teoría solar no menos, la discrepancia era considerada con escepticismo. Todo cambió en 1998 cuando la colaboración japonesa-estadounidense SuperKamiokande (SK), en Japón, concluyó de manera clara que los neutrinos de una determinada clase podían transformase, espontáneamente, en otros de otra clase distinta, un fenómeno cuántico de gran interés en sí mismo que solamente puede ocurrir si los neutrinos tienen masa finita, y no cero como se había supuesto hasta entonces.

En el experimento K2K participan dos grupos españoles, de Valencia y de Barcelona

Pero el problema no resultó ser fácil de elucidar. Los investigadores de SK estudiaron los neutrinos producidos en la atmósfera por los rayos cósmicos (partículas que nos llegan del espacio) que son tanto del tipo electrónico como muónico (en proporción de uno a dos) y tienen una energía muy superior a los producidos en el Sol. A esta energía SK detecta ambos tipos, a diferencia de lo que ocurre a la de los solares, para los que sólo detecta los de tipo electrónico. Los peculiares neutrinos llegan a SK desde todas las direcciones, tanto los producidos en la atmósfera por encima de Kamioka a unos 20 kilómetros de altura, como los producidos en las antípodas a 12.000 kilómetros, que entran en el detector desde abajo.

¿Qué se encontró en SK? Pues que los neutrinos muónicos que vienen de lejos son menos de los esperados en ausencia de oscilación, es decir parecen oscilar, mientras que ello no ocurre para los neutrinos electrónicos, es decir estos no oscilan. Sin embargo, los neutrinos electrónicos producidos en el Sol sí que oscilan antes de llegar a la Tierra. La explicación del puzzle es que la oscilación depende entre otras cosas de la energía, de la distancia, del tipo de neutrino y, en el caso de los electrónicos, de la densidad de la materia por donde pasan.

Con la llegada de los datos de SNO el rompecabezas de los neutrinos solares está casi totalmente resuelto, y a su solución han contribuido de manera destacada físicos de la Universidad de Valencia, ahora en EE.UU. Los resultados de SK se han comprobado recientemente de manera controlada con el experimento K2K en el que participan dos grupos españoles, de la Universidad de Valencia/IFIC y de la Universidad Autónoma de Barcelona/IFAE. Para este experimento se envía un haz de neutrinos muónicos desde el laboratorio KEK situado al norte de Tokio, al detector SuperKamiokande, a 250 kilómetros de distancia.

Antes de iniciar su viaje los neutrinos pasan por un detector cercano situado en el propio laboratorio. Con los datos tomados hasta ahora se esperaba que en SK se registrasen 151 interacciones en ausencia de oscilación, mientras que las observadas han sido solamente 108. La disminución corrobora un resultado preliminar anterior (con menos registros) y concuerda con los parámetros de la oscilación que se desprenden de los resultados de neutrinos atmosféricos. Además, por primera vez, se observa claramente que la desaparición de los neutrinos ocurre principalmente en una región de energía determinada, un fenómeno característico de la oscilación. Las oscilaciones tienen muchas implicaciones tanto en física de partículas como en astrofísica y cosmología. Desde 1998 hasta ahora el avance ha sido enorme pero quedan muchos cabos sueltos por atar con los esquivos neutrinos.

Enrique Fernández es catedrático de la Universidad Autónoma de Barcelona y director del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE).