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Atrapa a un fantasma

El experimento DUNE nace con la esperanza de determinar las masas de los neutrinos y avanzar así en la comprensión del origen del universo

Vista aérea del complejo de aceleradores de Fermilab, en EE UU.
Vista aérea del complejo de aceleradores de Fermilab, en EE UU.

Hay cosas, como la materia oscura, que sabemos que existen aunque no las hemos visto, en ningún sentido decente de este verbo. Hay cosas tan leves y escurridizas que hemos tardado 20 años en observar, y de las que todavía ignoramos algunas de sus propiedades más elementales, como su masa. Estos son los neutrinos. Lee en Materia el impresionante experimento DUNE, un prodigio de ingeniería al servicio de la física más fundamental, que nace con la esperanza de determinar las masas de estos fantasmas elusivos, y hacer avanzar de esta forma nuestra comprensión del origen del universo. Las aplicaciones prácticas suelen llegar después, cuando el entendimiento profundo nos abre perspectivas que ni podíamos haber imaginado antes.

¿Qué son los neutrinos? Tomemos un átomo de tritio (o hidrógeno-3). Como cualquier átomo de hidrógeno, tiene un protón y un electrón, pero el tritio posee además dos neutrones en su núcleo. Ocasionalmente, uno de esos neutrones emite un electrón y se convierte en un protón, y por tanto el átomo de tritio se transforma en uno de helio-3 (con dos protones y un neutrón) y produce la emisión neta de un electrón. Estos electrones emitidos son lo que Rutherford llamó “partículas beta”, y la conversión del hidrógeno en helio es un ejemplo de “desintegración beta”, uno de los tipos esenciales de radiactividad.

Se ha descartado por completo que los neutrinos constituyan la materia oscura, pero aún se desconoce mucho respecto a su papel tras el Big Bang

Hasta ahí todo bien, pero pronto surgió un problema. El helio generado tiene menos energía que la suma del tritio y el electrón emitido. ¿Dónde ha ido a parar esa energía? Wolfgang Pauli propuso la respuesta en 1930: además del electrón, debe haberse emitido otra partícula sin carga eléctrica y con muy poca masa, una especie de fantasma subatómico al que Fermi llamó neutrino poco después (en el ejemplo del tritio, se trata en realidad de un antineutrino). Ahí debía estar la energía perdida. Nadie había visto el neutrino, pero era una necesidad teórica.

Demostrar su existencia no resultó nada sencillo. Como no tiene carga, no interactúa con la fuerza electromagnética (con los fotones), ni ioniza la materia. Tampoco reacciona con la fuerza nuclear fuerte, la que mantiene unido el núcleo de los átomos. Solo interactúa con la extremadamente endeble fuerza nuclear débil, que es la responsable de la desintegración beta. Los neutrinos (y antineutrinos) son las partículas subatómicas más penetrantes: de cada 10.000 millones de neutrinos que atraviesan todo el diámetro de la Tierra, solo uno reacciona con un protón o un neutrón. Hubo que esperar a 1956 para que Frederick Reines y su equipo de físicos observaran indirectamente las primeras de estas partículas fantasmas, producidas en un reactor nuclear y detectadas a través de los subproductos de su reacción.

Pero el “con muy poca masa” que formuló Pauli en 1930 sigue siendo casi tan impreciso como entonces. Se han establecido algunos límites, como que la masa del neutrino más común (el neutrino del electrón) tiene que ser menor del 0,002% de la masa del electrón. Esto ha servido para algunas cosas, como descartar por completo que los neutrinos constituyan la materia oscura, pero no basta para seguir avanzando, por ejemplo, en la teoría del Big Bang. El aparato de Chicago tal vez aporte esas respuestas, y pase a la historia como el experimento que atrapó a un fantasma.

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