Schwartz y la carrera de los neutrinos

En los años cincuenta del siglo pasado el problema para la física de altas energías en nuestro continente era agudo: unos países devastados por la guerra mal podían, individualmente, competir con el gigante americano. Esto decidió a un conjunto de personalidades, científicos y administradores a crear un organismo supranacional que, entre otras cosas, se encargase de la construcción de un gran acelerador. Así se estableció, en las afueras de Ginebra, el Centre Européen pour la Recherche Nucléaire, conocido por sus iniciales CERN.

Sin menoscabo de otros experimentos de menor calado, el primer reto que enfrentó al CERN con la hasta entonces todopoderosa física norteamericana fue en intentar establecer que la elusiva partícula conocida como neutrino existe en dos estados diferentes, conocidos como neutrino electrónico y neutrino muónico. Aunque los europeos perdieron la carrera frente al equipo americano, liderado por Melvin Schwartz (fallecido el pasado 28 de agosto), los experimentos de neutrinos del CERN sirvieron para desarrollar técnicas (en especial por el holandés Van der Meer) que les permitieron dar la vuelta a la situación 10 años después, adelantándose al resto del mundo en el descubrimiento de las partículas W y Z (responsables de las interacciones débiles y las desintegraciones radioactivas).

Tuvo la idea de utilizar detectores electrónicos, mucho más rápidos que las cámaras de burbujas

Los neutrinos son partículas un tanto misteriosas. Tienen masa muy pequeña, unos 100 millones de veces más pequeña que la del electrón. Cuando tienen poca energía interaccionan muy débilmente; tanto que, aunque en un reactor nuclear se produce un billón de billones de neutrinos por cada kilogramo de uranio desintegrado, sólo con grandes esfuerzos pudieron ser detectados estos neutrinos en 1956, por Reines y Cowan. Otra peculiaridad es que las propiedades de las desintegraciones radioactivas sólo podían explicarse suponiendo que existen dos tipos de neutrinos: uno, el neutrino electrónico, que siempre aparece en las desintegraciones acompañado de un electrón; y otro, el neutrino muónico, que aparece acompañado de un muón (el muón es una partícula con propiedades muy parecidas a las del electrón, aunque pesa unas 200 veces más).

Una prueba incontrovertible de que realmente neutrino electrónico y neutrino muónico son distintos se encuentra lanzando (por ejemplo) neutrinos muónicos contra un blanco nuclear y comprobando que sólo producen muones. En los sesenta la energía necesaria para hacer este experimento sólo se podía conseguir en el sincrotrón de protones del CERN y en el del laboratorio estadounidense de Brookhaven, en Long Island. En 1961-1962 ambos se lanzaron a realizar el experimento.

El grupo europeo era superior desde algunos puntos de vista. En primer lugar, comenzaron seis meses antes que los de Brookhaven; además, en el CERN se había desarrollado un procedimiento para focalizar los neutrinos. A este ingenio se le conocía como cuerno de neutrinos o cuerno de Van der Meer, por la forma del aparato y el físico que lo diseñó. Si los europeos lo hubiesen utilizado desde el principio, algo que sólo hicieron en un segundo experimento, en 1963, hubiesen ido muy por delante de los americanos. El grupo del laboratorio europeo perdió una batalla que tenía ganada, permitiendo a los americanos Lederman, Schwartz y Steinberger llevarse la gloria al establecer, de forma definitiva, que el neutrino que acompaña al electrón es distinto del que se produce con muones.

Los del CERN tuvieron mala suerte y, además, hubo importantes confusiones. Entre ellas la más sonada fue la cuestión de la cantidad de neutrinos que se producían en el proceso (el flujo de neutrinos). Los del CERN habían calculado un cierto valor para el flujo, pero, en mayo de 1961, Guy von Dardel (que no formaba parte del equipo del CERN) descubrió errores en dichos cálculos. Según las estimaciones de Von Dardel, lo más que se podía esperar eran de unas 6 a 8 señales por año.

En el verano de 1961, los directores del CERN decidieron posponer el experimento que, cuando se reanudó, sólo pudo confirmar los hallazgos de los norteamericanos.

Esta actitud del CERN puede parecer una grave falta de visión, pero también es cierto que la importancia fundamental del experimento sólo apareció al ir pasando los años, e irse comprobando, de forma cada vez más clara, la misteriosa estructura en grupos, con propiedades muy parecidas, de las partículas elementales, algo para lo que el experimento del neutrino puso la primera piedra. El comité Nobel sólo concedió el premio a Lederman, Schwartz y Steinberger en 1988. Pero, además, los norteamericanos formaban un dream team de una valía extraordinaria. Leon (Leo) Lederman fue también el descubridor del quark b, en 1977. De Jack Steinberger es proverbial su solidez, y cualquier experimento en que haya participado tiene un plus de credibilidad.

Como tercer miembro del dream team tenemos a Melvin (Mel) Schwartz, considerado por algunos como el padre de la física americana de neutrinos de alta energía y, muy probablemente, el más brillante de los tres, a quien se debe la idea básica del experimento. En especial la que era altamente innovadora por entonces, a saber, utilizar detectores electrónicos que, a la vez, actúan como detector y como blanco. Detectores que, además, tienen una capacidad de reacción a las interacciones mucho más rápida que las cámaras de burbujas utilizadas por los europeos.

Entre 1975 y 1976 se comprobó, por el grupo de Perl, en Stanford, que existe un tercer tipo de neutrino, que acompaña a las partículas tau; neutrino éste que confirma la ya citada -y extraña- estructura múltiple de las partículas. En efecto, existe un triplete de electrones con propiedades idénticas, excepto por su masa: el electrón ordinario, el muón y el tau; y los tres neutrinos también son idénticos excepto por una minúscula diferencia en sus masas y porque acompañan cada uno en desintegraciones y producciones al electrón correspondiente. Nadie tiene ni idea de por qué existe esta triplicación, que también afecta a los quarks, aunque esto no lo discutiremos aquí.

Francisco J. Ynduráin es catedrático de Física Teórica en la Universidad Autónoma de Madrid. Este artículo está adaptado del libro del autor Electrones, neutrinos y quarks, editorial Crítica, 2001.