Hans Bethe, el Sol y los neutrinos

E l gran físico Hans Bethe murió el pasado 6 de marzo. Gracias a su longevidad (Bethe nació en 1906 en Estrasburgo) pudo asistir a la comprobación de sus ideas sobre la producción de energía por las estrellas, comprobación realizada en los últimos años gracias a las observaciones de neutrinos procedentes del centro del Sol.

El problema de la energía que nos llega de las estrellas, en particular de la que tenemos más cerca, el Sol, tiene una larga historia ya que su aparición es simultánea a la de la geología, a principios del siglo XIX, cuando el británico Charles Lyell realizó, entre otras cosas, estudios de los tiempos que tardan en formarse ciertas rocas y en rellenarse los sedimentos. De estos estudios los geólogos llegaron a la conclusión de que la Tierra tiene que ser enormemente vieja; desde luego mucho más vieja que los 6.000 años de la tradición bíblica.

El físico resolvió el rompecabezas de la energía solar y recibió el Nobel en 1967

De las detalladas observaciones geológicas llevadas a cabo por Lyell se deducía que la edad de la Tierra debía ser de miles de millones de años.

El problema que ésto planteaba es que la edad del Sol, deducida de los conocimientos de física y química de la época, resultaba ser miles o incluso millones de veces inferior a la edad de la Tierra que indicaba la geología. Ninguna reacción química conocida podía explicar la energía que nos llega del Sol, o de otras estrellas. La única fuente de dicha energía imaginable en el siglo XIX, era la de la contracción gravitatoria de la inmensa masa gaseosa solar, lo que efectivamente podía calentar el Sol a los cientos de miles de grados a los que está este cuerpo. Pero esta contracción dura muy poco tiempo (a escala cósmica): como mucho millones de años, no miles de millones. Esta contradicción dio lugar a acerbas discusiones entre geólogos y físicos, que no aceptaban las estimaciones de fechas de aquellos.

Pero la geología estaba totalmente acertada: lo que fallaba era la física. En efecto, la energía que el Sol nos envía no se debe a su contracción gravitatoria; el Sol no se ha contraído apreciablemente en los últimos miles de millones de años. La energía del Sol, o la de cualquier otra estrella, proviene de reacciones nucleares en su interior, algo totalmente inconcebible para un físico del siglo XIX.

La comprensión de cómo genera su energía el Sol comenzó cuando, hace poco más de un siglo, los franceses Antoine Henri Becquerel y Pierre y Marie Curie descubrieron el fenómeno de la radiactividad natural y, con él, una de las manifestaciones de la energía nuclear, que genera millones de veces más energía que cualquier reacción química. En 1905, Einstein -como subproducto de la teoría de la relatividad- encontró la que, tal vez, sea la ecuación más famosa de la física: E=mc2. De esta ecuación se sigue que el Sol (o las sustancias radiactivas) pueden producir la inmensa energía que generan aniquilando una ínfima parte de su masa.

Aunque, en principio, esto indica de dónde procede la energía que nos envía el Sol, quedaban por encontrar los detalles, nada triviales, del mecanismo que se da en el interior del astro rey. El mecanismo más sencillo, la fusión de cuatro átomos de hidrógeno (H) para formar uno de helio (He), H+H+H+H -> He+Energia no era suficiente para explicar el ritmo de la producción de energía solar. Hubo que esperar a 1938, cuando Bethe se dio cuenta de que el carbono (que existe en pequeñas cantidades en el interior del Sol) puede participar en reacciones nucleares intermedias como catalizador, esto es, sin gastarse, lo que las acelera. A la reacción propuesta por Bethe se la conoce como el ciclo del carbono.

Sin duda, la explicación de Bethe resolvía, en principio, el rompecabezas de la energía que produce el Sol y, por ello recibió el Premio Nobel en 1967. Pero los científicos somos quisquillosos, y quedaba la cuestión de cómo comprobar experimentalmente, de forma directa, que las ideas de Bethe eran ciertas. Esto no es fácil: ¿Cómo obtener información experimental del centro del Sol? Pues resulta que hay un método. En las reacciones que hemos mencionado se generan, además de energía, neutrinos y, en particular, el ciclo del carbono de Bethe produce más neutrinos que la fusión ordinaria. Los neutrinos interaccionan tan poco que pueden salir del centro del Sol y llegar a la Tierra: cada segundo nos atraviesan, a cada uno de nosotros, unos diez billones de neutrinos provenientes del Sol. Por supuesto, nada es gratis. El que los neutrinos interaccionen poco les permite atravesar el Sol, pero también los hace muy difíciles de detectar: se requieren aparatos gigantescos.

Esto no arredró al físico estadounidense Raymond Davis que construyó, en 1965, un detector con casi medio millón de kilos de percloretileno. Se esperaba que los neutrinos produjeran señales una o dos veces al año (transmutando un átomo de cloro en argon). Cada varios meses Davis pasaba el material por detectores de radiactividad, con la esperanza de detectar algún átomo de argon radiactivo y, por tanto, el rastro de la interacción de algún neutrino: el experimento era sin duda mucho más difícil que la tradicional búsqueda de la aguja en un pajar.

Durante mucho tiempo el experimento funcionó sin éxito aparente. Las señales de neutrinos tardaron en llegar y, cuando llegaron (a partir de 1968), resultaron mucho menos frecuentes de lo que se esperaba: al menos un factor dos, tal vez un factor tres. Pero el detector de Davis era difícil de controlar y, además, el cálculo de los neutrinos que produce el Sol debe hacerse con complicados modelos astrofísicos que describen el funcionamiento preciso de su interior profundo; en particular el modelo del ciclo del carbono de Bethe. No estaba claro por qué Davis encontraba tan pocos neutrinos: si fallaba el detector, si estaban equivocadas nuestra ideas acerca del interior del Sol o si había una tercera explicación, como a la postre resultó.

A finales del siglo pasado, y a principios del actual, con la ayuda de detectores mucho mayores que el de Davis, otros científicos han llevado a cabo experimentos con sensitividad muy superior a lade éste. Los resultados confirmaron los hallazgos del original de Davis: se detectan muchos menos neutrinos que los que creemos que se producen en el Sol. Tan sólo la mitad de los neutrinos que deberían llegar se recogen en los detectores.

Después de muchos experimentos y análisis teóricos nos hemos convencido de que la explicación de esta anomalía es la sugerida ya en 1968 por Vladimir Gribov y Bruno Pontecorvo. Consiste en tener en cuenta que existen tres tipos distintos de neutrinos, conocidos como neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico. En el Sol únicamente se producen neutrinos de tipo electrónico; y el detector de Davis sólo detectaba neutrinos de este tipo. Sin embargo, es posible demostrar teóricamente que, si los neutrinos tienen una masa muy pequeña, el neutrino electrónico, el que producen las reacciones solares, podría desintegrarse, o transmutarse, en neutrinos tipos muónico o tauónico, que los aparatos utilizados por Davis no son capaces de detectar.

Estos resultados son muy recientes. El misterio de los neutrinos solares, y con él el del modelo de funcionamiento del interior del Sol, sólo se resolvió completamente en los últimos años, gracias al detector SNO (Sudbury Neutrino Observatory), en Canadá. De hecho, el SNO es tan eficaz que nos permite recoger un número de neutrinos suficientemente grande como para que éstos formen una imagen del centro del Sol, igual que la luz nos proporciona una imagen de su superficie.

Las conclusiones de las observaciones del SNO son concluyentes: en el camino entre el Sol y la Tierra, ya sea por oscilación o por desintegración, se transmutan algo más de la mitad de los neutrinos electrónicos en los otros dos tipos de neutrinos. Cuando se tiene esto en cuenta, el número de neutrinos producidos en el sol resulta ser el que Bethe había calculado setenta años antes.

Francisco J. Yndurain es catedrático de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid.