Neutrinos … entre la realidad y la ficción


Wolfgang Pauli and Niels Bohr demonstrating 't...
Image via Wikipedia

Hola de nuevo. Después de un tiempo sin escribir (ya sabéis, muchas horas de trabajo y pocas de sueño) volvemos y, como no podría ser de otra forma, aprovecharemos la ola de nuestros amigos los neutrinos para intentar desentrañar la verdad sobre este tema.

Se ha escrito tanto sobre ellos últimamente (casi todo estupideces) que podría batir mi record de caracteres en un único post reuniendo un poco de aquí y un poco de allá. Sin embargo, no lo haré. Intentaré seguir el mismo patrón de este blog … al fin y al cabo, de eso va la ciencia, de la búsqueda deseperada de un patrón que nos de un poco de luz en la inmensa oscuridad.

Yo creo que, para empezar, debemos refrescar la memoria un poco. ¿Qué es un neutrino? ¿De dónde viene? ¿Qué papel juega en nuestro universo? Vayamos por partes.

Los neutrinos son partículas subatómicas de tipo fermiónico, sin carga y espín 1/2. Desde hace unos años se sabe, en contra de lo que se pensaba, que estas partículas tienen masa, pero muy pequeña, y es muy difícil medirla. Hoy en día (cuando digo hoy en día me refiero a hoy mismo, sí, hoy que estás leyendo esto), se cree que la masa de los neutrinos es inferior a unos 5,5 [ eV/c2 ] lo que significa menos de una milmillonésima de la masa de un átomo de hidrógeno. Su conclusión se basa en el análisis de la distribución de galaxias en el universo y es, según afirman estos científicos, la medida más precisa hasta ahora de la masa del neutrino. Además, su interacción con las demás partículas es mínima por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla.

La masa del neutrino tiene importantes consecuencias en el modelo estándar de física de partículas ya que implicaría la posibilidad de transformaciones entre los tres tipos de neutrinos existentes en un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos.

En todo caso, los neutrinos no se ven afectados por las fuerzas electromagnética o nuclear fuerte, pero sí por la fuerza nuclear débil y la gravitatoria.

La existencia del neutrino fue propuesta en 1930 por el físico Wolfgang Pauli para compensar la aparente pérdida de energía y momento lineal en la desintegración β de los neutrones según la siguiente ecuación:

\mathrm{n} \rightarrow \mathrm{p}^+ + \mathrm{e}^- + \bar{\nu}_e \,

Pauli interpretó que tanto la masa como la energía serían conservadas si una partícula hipotética denominada «neutrino» participase en la desintegración incorporando las cantidades perdidas. Desafortunadamente, la partícula prevista había de ser sin masa, ni carga, ni interacción fuerte, por lo que con los medios de la época no podía ser detectada. Esto era el resultado de una sección eficaz muy reducida (σμ∼10 − 44cm2). Durante 25 años, la idea de la existencia de esta partícula solo se estableció en forma teórica.

De hecho, la posibilidad de que un neutrino interactúe con la materia es muy pequeña, ya que según los cálculos de la mecánica cuántica sería necesario un bloque de plomo de una longitud de un año luz (9,46 billones de kilómetros) para detener la mitad de los neutrinos que lo atravesasen.

En 1956 Clyde Cowan y Frederick Reines demostraron su existencia experimentalmente. Lo hicieron bombardeando agua pura con un haz de 1018 neutrones por segundo. Observaron la emisión de fotones subsiguiente y así quedó determinada su existencia. A este ensayo, se le denomina experimento del neutrino.

En 1987 Leon Max Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger descubrieron los dos restantes tipos de neutrinos: tauónicos y muónicos.

En septiembre de 2011, la colaboración OPERA anunció que el análisis de las medidas para la velocidad de los neutrinos en su experimento arrojaba valores superlumínicos. En particular, la velocidad de una cierta clase de neutrino podría ser un 0,002 % mayor que la de la luz (más tarde seguiremos con esto)

Existen tres tipos de neutrinos asociados a cada una de las familias leptónicas (o sabores): neutrino electrónico ( νe ), neutrino muónico ( νμ ) y neutrino tauónico ( ντ ) más sus respectivas antipartículas.

Los neutrinos pueden pasar de una familia a otra (es decir, cambiar de sabor) en un proceso conocido como oscilación de neutrinos. La oscilación entre las distintas familias se produce aleatoriamente, y la probabilidad de cambio parece ser más alta en un medio material que en el vacío. Dada la aleatoriedad del proceso, las proporciones entre cada uno de los sabores tienden a repartirse por igual (1/3 del total para cada tipo de neutrino) a medida que se producen sucesivas oscilaciones. Fue este hecho el que permitió considerar por primera vez la oscilación de los neutrinos, ya que al observar los neutrinos procedentes del Sol (que deberían ser principalmente electrónicos) se encontró que sólo llegaban un tercio de los esperados. Los dos tercios que faltaban habían oscilado a los otros dos sabores y por tanto no fueron detectados. Esto es el llamado “Problema de los neutrinos solares”.

La oscilación de los neutrinos implica directamente que éstos han de tener una masa no nula, ya que el paso de un sabor a otro sólo puede darse en partículas masivas.

El Sol es la más importante fuente de neutrinos a través de los procesos de desintegración beta de las reacciones que acaecen en su núcleo. Como los neutrinos no interaccionan fácilmente con la materia, escapan libremente del núcleo solar atravesando también la Tierra. Aparte de las reacciones nucleares, hay otros procesos generadores de neutrinos, los cuales se denominan neutrinos térmicos ya que, a diferencia de los neutrinos nucleares, que absorbe parte de la energía emitida por dichas reacciones para convertirla en neutrinos. De esta forma, una parte de la energía fabricada por las estrellas se pierde y no contribuye a la presión, siendo la razón por la que se dice que los neutrinos son sumideros de energía. Su contribución a la energía emitida en las primeras etapas (secuencia principal, combustión del helio) no es significativa, pero en los colapsos finales de las estrellas más masivas, cuando su núcleo moribundo se encuentra a elevadísimas densidades, se producen muchos neutrinos en un medio que ya no es transparente a ellos, por lo que sus efectos se tienen que tener en cuenta.

Según los modelos solares, se debería recibir el triple de neutrinos que se detectan, ausencia que es conocida como el problema de los neutrinos solares. Durante un tiempo se intentó justificar este déficit revisando los modelos solares. El Sol quema el hidrógeno principalmente mediante dos cadenas de reacciones, la PPI y la PPII. La primera emite un neutrino y la segunda dos. Las hipótesis que se plantearon fueron que, quizá, la PPII tuviera una ocurrencia menor a la calculada debido a una falta de helio en el núcleo favorecido por algún tipo de mecanismo (frenado de la rotación por viscosidad) que mezclara parte del helio producido con el manto lo cual reduciría la cadencia de la PPII. Actualmente el problema va camino de resolverse al plantearse la teoría de la oscilación de neutrinos.

Se cree que, al igual que la radiación de microondas de fondo procedente del Big Bang, hay un fondo de neutrinos de baja energía en nuestro Universo. En la década de 1980 se propuso que estos pueden ser la explicación de la materia oscura que se piensa que existen en el universo. Los neutrinos tienen una importante ventaja sobre la mayoría de los candidatos a materia oscura: sabemos que existen. Sin embargo, también tienen problemas graves.

De los experimentos de partículas, se sabe que los neutrinos son muy ligeros. Esto significa que se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Así, la materia oscura hecha de neutrinos se denomina “materia oscura caliente”. El problema es que, al encontrarse en rápido movimiento, los neutrinos habrían tendido a expandirse uniformemente en el Universo, antes que la expansión cosmológica los enfriara lo suficiente como para concentrarse en cúmulos. Esto causaría que la parte de materia oscura hecha de neutrinos se expandiera, siendo incapaz de formar las grandes estructuras galácticas que vemos.

Además, estas mismas galaxias y grupos de galaxias parecen estar rodeadas de materia oscura que no es lo suficientemente rápida para escapar de estas galaxias. Presumiblemente, esta materia proveyó el núcleo gravitacional para la formación de estas galaxias. Esto implica que los neutrinos constituyen sólo una pequeña parte de la cantidad total de materia oscura.

De los argumentos cosmológicos, los neutrinos reliquia (del fondo de baja energía) son estimados en poseer densidad de 56 por cada centímetro cúbico, y de tener temperatura de 1.9 K (1.7×10−4 eV), esto es, si no poseen masa. En el caso contrario, serían mucho más fríos si su masa excede los 0.001 eV. Aunque su densidad es bastante alta, debido a las extremadamente bajas secciones cruzadas de neutrinos a energías bajo 1 eV, el fondo de neutrinos de baja energía aún no ha sido observado en el laboratorio. En contraste, neutrinos solares de boro-8, que son emitidos con una mayor energía, han sido detectados definitivamente a pesar de poseer una densidad espacial más baja que la de los neutrino reliquia, alrededor de 6 órdenes de magnitud.

Las dudas acerca de los métodos utilizados por Davis (Raymond Davis Jr., químico y físico estadounidense, nacido en Washington DC, ganador del Premio Nobel de Física en 2002) incentivaron la búsqueda de alternativas para la detección de tan escurridizas partículas. Así surgió una nueva línea de detectores que se basaban en la colisión de neutrinos con electrones contenidos en un medio acuoso.

\nu_e +e^- \rightarrow e^- + \nu_e \,

Estos detectores se basan en el hecho de que el neutrino al impactar contra un electrón le transmite parte de su momento confiriéndole a éste una velocidad en ocasiones superior a la de la luz en ese mismo medio acuoso. Es en ese momento cuando se produce una emisión de luz característica, conocida como radiación de Cherenkov, que es captada por los fotomultiplicadores que recubren las paredes del recipiente. Como lo que se observa es una transmisión de momento lineal podemos inferir aproximadamente la masa de éstos y la dirección de la que proceden mientras que con el anterior sistema de detección solo podíamos calcular el flujo de neutrinos.

En vez de agua convencional se usa agua pesada porque ésta tiene más probabilidades de capturar neutrinos. Éste es el caso del más famoso detector de neutrinos. El Super-Kamiokande, que recibe su nombre de la mina japonesa de Kamioka. Lo primero que se hizo con este enorme recipiente, de 40 metros de diámetro por 40 de altura dotado de unos 11.000 tubos fotomultiplicadores, fue detectar los neutrinos procedentes de la supernova 1987A. Luego se midió el flujo de los neutrinos solares corroborando los resultados del detector de Davis. Su mayor éxito ha sido la reciente medición de la masa del neutrino. Fue con el experimento de la supernova con el que el laboratorio se hizo más famoso al poder determinar que la masa del neutrino no era nula llegando a acotar su valor a partir de la medición del retraso con que llegaron los neutrinos procedentes de la explosión. Si estos hubiesen carecido de masa hubiesen llegado junto a los fotones (la luz de la supernova).

Bueno, ahora ya sabemos un poco más de los neutrinos. Con esta base nos podemos hacer la siguiente pregunta: ¿puede un neutrino desplazarse a velocidades superlumínicas?

Obviamente, la respuesta es no. Hacezme caso cuando os digo que todo lo que se ha escrito (bueno no todo, pero casi) son estupideces escritas por pseudo periodistas que de ciencia en general y de física en particular, van muy, pero que muy justitos. Son noticias sensacionalistas escritas (y esto es lo peor de todo) en diarios de tirada nacional, como El Mundo y El País, por gente que no tiene ni idea de lo que escribe … dudo que sepan siquiera qué coño es un neutrino! Mis respetos por la sección de ciencia del diario ABC, dirigida por José Manuel Nieves, periodista especializado en ciencia, que ha escrito numerosos artículos y  reportajes sobre tecnología, ciencia, investigación e informática. Un gran divulgador científico, a la altura de los mejores y con unos conocimientos brutales en ramas como la computación, la física o las matemáticas.

Después de las loas y las críticas … vayamos al grano. Algunos ingenuos deseaban que Einstein estuviera equivocado, que los 299.792.458 m/s fueran tan solo un límite irracional impuesto por una mente desequilibrada. Afortunadamente, Einstein sólo hubo uno y desafortunadamente, idiotas tenemos a montones. Intentaré explicar por qué Einstein no está equivocado.

Agujeros negros. ¿Acaso una teoría que predice la existencia de algo tan inimaginable como un agujero negro puede ser errónea? Han pasado casi 100 años desde que Einstein publicó su teoría general de la relatividad y, ahora sabemos que los agujeros negros existen, que su centro es una sigularidad (o sea, que no tenemos ni idea de lo que es, eso quiere decir singularidad) y que a pesar de no haber visto jamás uno (un agujero negro es, por definición, negro) hemos sido capaces de detectar y trazar órbitas exactas de un grupo de estrellas al rededor de un agujero negro supermasivo como, sin ir más lejos, el que tenemos en el mismo centro de la Vía Láctea y como el que existe en cada centro de cada galaxia de nuestro Universo. Todo esto gracias a una teoría que niegan los envidiosos y los necios. Una teoría que viene acompañada por un grupo de ecuaciones que se cumplen en cada uno de los puntos del Universo (excepto en las singularidades ya mencionadas anteriormente aunque eso si, las describe perfectamente)

Más cosas. Investigadores del Centro de Cosmología Oscura en el instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague han puesto a prueba por primera vez la teoría de la Relatividad a una escala mayor que el Sistema Solar. Los científicos han logrado medir cómo la luz emitida por las galaxias es afectada por la gravedad, y sus resultados, publicados en la revista Nature, confirman lo que en su día anunció Einstein. En efecto, las grandes masas como las galaxias pueden afectar a la velocidad de los fotones, retrasando su llegada a la Tierra como si se tratara de un obstáculo. Además, la investigación respalda la existencia de la materia y la energía oscura, unas fuerzas invisibles cuestionadas por algunos teóricos.

Hasta ahora, los científicos han estudiado intensamente las propiedades de la luz que emiten las estrellas, el único vínculo físico que nos une a ellas. De esta forma, pueden averiguar si esa estrella se acerca o se aleja de nosotros y a qué velocidad. ¿Cómo es posible? La longitud de onda de un rayo de luz se deforma con el movimiento, hacia la parte roja del espectro electromagnético (lo que se llama corrimiento hacia el rojo) o hacia la parte azul, según el objeto emisor está alejándose o acercándose. El corrimiento al rojo indica cuánto se ha expandido el Universo desde que la luz fue emitida hasta que llegó a la Tierra. Además, de acuerdo con la teoría general de la relatividad de Einstein, la luz también se ve afectada por la gravedad de las grandes masas, y lo rayos luminosos sufren alteraciones al pasar cerca de fuertes campos gravitatorios, como las galaxias y los agujeros negros. En ese caso, se produce un corrimiento al rojo por causa de la gravedad. Pero esta influencia gravitatoria de la luz nunca se había medido en una escala cosmológica.

“Es realmente maravilloso. Vivimos en una época con la capacidad tecnológica para medir realmente estos fenómenos” dice el astrofísico Radek Wojtak, responsable de la investigación. El equipo examinó las mediciones de luz de aproximadamente 8.000 cúmulos de galaxias. Estos clusters son acumulaciones de miles de galaxias unidas por su propia gravedad. Esta gravedad afecta a la luz que las galaxias envían al espacio.

Los investigadores analizaron las galaxias que se encuentran en mitad de los cúmulos y las que están en la periferia, y midieron la longitud de onda de la luz. En efecto, descubrieron pequeñas diferencias en el corrimiento al rojo. “La luz emitida por galaxias en mitad de un cúmulo tiene que “arrastrarse” a través del campo gravitacional, mientras que la luz de las galaxias distantes lo tiene más fácil para emerger”, explica Wojtak.

Después, los científicos midieron la masa total del cúmulo galáctico y su potencial gravitatorio. Mediante el uso de la teoría general de la relatividad, pudieron calcular el desplazamiento al rojo para los diferentes lugares de las galaxias. Y, sí, Einstein no se equivocaba. “Resultó que los cálculos teóricos del corrimiento hacia el rojo gravitatorio sobre la base de la teoría de la relatividad general estaban en completo de acuerdo con las observaciones astronómicas. Nuestras observaciones confirman la teoría de la relatividad”,  afirma el investigador.

El descubrimiento puede ayudar a desentrañar algunos de los misterios del Universo, como la materia y la energía oscuras. Además de los cuerpos celestes visibles como las estrellas, planetas y galaxias, el Universo se compone de una gran cantidad de materia que los investigadores creen que tiene que estar allí pero que no puede ser observada, ya que no emite ni refleja la luz. Es invisible y por eso se llama materia oscura. Otro de los componentes es la energía oscura, que de acuerdo con los modelos teóricos actúa como una especie de vacío que provoca la aceleración de la expansión del Universo. Según los cálculos, que se basan en la teoría de la relatividad de Einstein, la energía oscura constituye el 72% de la estructura del cosmos. Discutida por algunos teóricos, los nuevos resultados avalan su existencia.

Así pues, tenemos cientos de investigaciones (tan sólo he hecho referencia a una de ellas) realizadas por verdaderos genios de nuestro tiempo, que avalan a Einstein. No creo que sea justo ni siquiera razonable pensar que Einstein estaba equivocado, porque no lo estaba. La teoría general de la relatividad nos describe el Universo de lo muy grande y muy rápido, de una forma perfecta y sin errores. Sin embargo, no nos da pistas sobre el Universo de lo muy pequeño, el Universo de la mecánica cuántica. Pero esto es otra historia. La teoría general de la relatividad es un teoría incompleta pero que describe a la perfección una parte del Universo.

Pero esto, queridos amigos, es otra historia … No dudéis que es por esta vía y no por ninguna otra, por la que encontraremos la solución al por qué estos huidizos amigos, los neutrinos, fueron capaces de recorrer una distancia en lo que parece a una velocidad en 6 km/h superior a la velocidad de la luz. Pero tan sólo lo parece, recordar que todo, absolutamente todo, es relativo.

Saludos a tod@s. Ser felices. Próximamente, más investigación.

5 thoughts on “Neutrinos … entre la realidad y la ficción

  1. Gracias por tus columnas de contenido científico. Voy a comenzar a leer sobre sobre los neutrinos y otros artículos que me parecen de mucho interés.
    Hasta pronto

  2. Buenas tardes…

    Siempre me ha intrigad una contradicción que nadie parece haber tenido en cuenta…

    Si los neutrinos tienen masa, no pueden ir a la velocidad de la luz, ¿o me equivoco?

    Gracias por tu blog.

    1. Gracias a ti por seguirme. Respondiendo a tu pregunta, técnicamente se podría, pero requeriría de tiempo infinito con aceleración finita, o aceleración infinita con tiempo finito. Sabes que en física el concepto de infinito es algo que de momento no se contempla. Por eso precisamente, donde las ecuaciones de campo de Einstein se vienen abajo (al derivar obtenemos infinito y si aplicamos las leyes de la mecánica cuántica a las mismas y derivamos nos dan una sucesión infinita de infinitos, o sea, todavía peor …), es decir, en las singularidades (centros de agujeros negros, por ejemplo), no sabemos qué ocurre, desconocemos la realidad de los hechos en si mismos, lo que nos lleva a teorizar sobre la constante C y otras. Espero haberte sido de ayuda y feliz Navidad!

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