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¿Qué son los neutrinos?

Esta partícula elemental subatómica tiene una masa muy pequeña, no tienen carga y atraviesan la materia

El detector de Super-Kamiokande, llenándose de agua.
El detector de Super-Kamiokande, llenándose de agua.

El neutrino es una partícula que siempre ha sido muy misteriosa porque es muy difícil de detectar. Se trata de una partícula elemental subatómica que tiene una masa muy, muy pequeña, un espín de un medio, y no tienen carga, por eso se llaman neutrinos porque son neutras. Con estas características es muy raro que interaccionen con la materia y por eso son tan complicadas de encontrar ya que atraviesan la materia igual que la luz atraviesa un cristal. Y como tienen esa masa tan pequeña, de hecho al principio se creía que no tenían masa, se mueven a velocidades cercanas a la de la luz.

Los neutrinos surgen en procesos nucleares: en el Big Bang, en los núcleos de las estrellas y también en los aceleradores de partículas. De las cuatro fuerzas fundamentales que existen en el universo: electromagnética, gravitatoria, débil y fuerte, los neutrinos solo se ven afectados por la gravitatoria de una manera pequeñísima y la débil. Al no tener carga no interaccionan con la fuerza electromagnética y tampoco interaccionan con la fuerza fuerte.

Al principio, el neutrino fue solo una hipótesis. Se conocía la desintegración beta que es la que se produce cuando en los núcleos inestables hay un cambio en la relación de neutrones y protones. Los núcleos están formados por neutrones y protones pero cuando se desintegran a veces emiten una partícula y el neutrón puede pasar a protón y al protón a neutrón. Pero la desintegración beta no cumplía la ley de conservación de la energía que es una ley fundamental de la física. El investigador austriaco Wolfgang Pauli propuso en 1930 la idea de que había una partícula que no tenía carga, y él pensaba que también una masa despreciable, y que era la que se llevaba la parte de energía que faltaba. La llamó neutrino. Era solo una hipótesis y de hecho él mismo escribió que lo que acababa de proponer era algo que no se iba a poder demostrar nunca. Sin embargo, en 1956 se construyó un detector de neutrinos y se confirmó su existencia.

Pero ocurría que en aquel detector se contaban muy pocos neutrinos, alrededor de un tercio de lo que calculaba que podía haber. Y eso era porque hay tres tipos de neutrinos y solo detectaban uno. En la desintegración beta un neutrón se desintegra en un protón y emite un electrón y un antineutrino, y ese antineutrino es el que hace que se conserve la energía. Si la reacción es con el protón, lo que emite es un neutrón y un positrón, es decir, un electrón con carga positiva, y un neutrino. En esas reacciones que se producen en los núcleos inestables no varía la suma total de neutrones y protones, lo que varía es la relación entre ellos. O sea la sumatoria de n + p sería constante pero subiría el número de neutrones y bajaría el de protones o al revés.

Interior de un prototipo en miniatura (protoDUNE) para un detector de neutrinos propuesto.
Interior de un prototipo en miniatura (protoDUNE) para un detector de neutrinos propuesto.

Como era evidente que los neutrinos no se iban a poder detectar directamente, lo que idearon los científicos y científicas para encontrarlos fue crear aparatos que pudieran medir las reacciones que provocaban en algunos elementos. Por ejemplo, si se ponía como detector el agua pesada, un neutrino incidente podía dar su energía al líquido y crear un electrón. Ese electrón tendría una velocidad muy próxima a la de la luz porque adquiriría una energía fuerte y produciría una radiación que se llama radiación Cherenkov que es azul y se ve. También se ha utilizado cloro disuelto en un tanque, porque con un átomo de cloro más el neutrino se forma un átomo de argón inestable, lo que hay que hacer ahí es contar los átomos de argón que han aparecido y así se sabe cuántos neutrinos se han detectado. También se hace con galio que con un neutrino se convierte en germanio inestable. Y a esta reacción, irónicamente, se la llamaba Alsacia Lorena porque como el neutrino provoca que el galio se convierta en germanio, ocurría como con la región fronteriza entre Francia y Alemania que a lo largo de la historia ha pasado de un país a otro.

Imagínate lo difícil que son de detectar que cuando las personas que investigan física hacen chistes sobre los neutrino los pintan siempre como un fantasma. Pero detectarlos ha sido muy importante para confirmar el modelo estándar que es el que tenemos para explicar todas las reacciones entre las partículas.

Pilar López Sancho es doctora en Ciencias Físicas y profesora de investigación del CSIC.

Pregunta realizada vía email por Héctor Aguirre

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