¿Cuánto pesa un fantasma? Los aprietos de la ciencia para averiguar la masa del neutrino

Por Pablo Fernández de Salas*

Todo lo que podemos ver en el planeta Tierra, en nuestra galaxia o incluso más allá de sus límites se ha formado a partir de bloques pequeños. Como piezas de LEGO muy avanzadas, se combinan hasta dar forma a los objetos que existen en el mundo. Estos bloques son las partículas elementales, es decir, partículas indivisibles, las pequeñas piezas que ya no podemos separar más. Entre las partículas elementales más conocidas están los fotones (los constituyentes de la luz) y los electrones (los que permiten que haya corriente eléctrica). Los protones y neutrones, sin embargo, son en realidad partículas compuestas, formadas por la unión de tres partículas elementales llamadas quarks.

Todas las partículas elementales conocidas son diferentes. Algunas tienen carga eléctrica, otras no tienen masa, pero entre ellas hay una que ha fascinado especialmente a los físicos, incluso después de que se supiera su existencia. Se trata del neutrino. En realidad, neutrino no hay solo uno, sino tres tipos distintos que se diferencian según su forma de interactuar con las demás partículas. Pero esta interacción es tan débil que los neutrinos pueden atravesar fácilmente materiales muy densos, ¡incluso el planeta Tierra! Por este motivo, al neutrino a veces se lo conoce como la partícula fantasma.

Experimento KATRIN

Espectrómetro del experimento KATRIN, cuyo objetivo es descubrir la masa del neutrino, pasando por Eggenstein-Leopoldshafen, Alemania, en 2006 de camino al Instituto Tecnológico de Karlsruhe. / Karlsruhe Institute of Technology.

Los neutrinos son unas partículas elementales muy especiales, ya que no se comportan como las demás. En concreto, como vemos, su capacidad de interacción es inusualmente baja, pero lo que más sorprende a los físicos es que los neutrinos cambian de tipo según se mueven. Son, por así decirlo, como jugadores de fútbol que pasan continuamente de un equipo a otro, cambiando su chaqueta con un patrón oscilatorio, de ida y vuelta constante. Precisamente, el descubrimiento de esta propiedad, conocida como oscilación de los neutrinos, motivó la concesión del Premio Nobel de Física al físico japonés Takaaki Kajita y al físico canadiense Arthur B. McDonald en 2015.

La oscilación de los neutrinos es importante porque nos asegura que estas partículas elementales tienen masa. Podría no haber sido así. De hecho, el modelo estándar de física de partículas, la teoría que describe el comportamiento de todas las partículas elementales conocidas, predice que los neutrinos son partículas sin masa, al igual que los fotones. Pero, si este fuera el caso, ¡los neutrinos no cambiarían de tipo cuando se propagan! Este es otro motivo por el que la oscilación de los neutrinos es tan importante: nos indica que hay física por descubrir más allá del modelo estándar.

Modelo estándar

Conjunto de partículas elementales conocidas y que constituyen el denominado modelo estándar de la física de partículas.

Entonces, ahora que sabemos que los neutrinos tienen masa es cuando nos podemos hacer la pregunta: ¿cuánto pesa un neutrino? (o lo que es casi lo mismo: ¿cuánto pesa un fantasma?). La dificultad de esta tarea es obvia: no podemos atrapar un neutrino, que se mueve a velocidades muy, muy cercanas a la de la luz, y ponerlo en una balanza. Además, debido a la poca capacidad de interacción que tienen estas partículas, tampoco podemos aplicar las técnicas que fueron utilizadas para conocer el peso de los electrones, cuya manera de curvarse en un campo magnético depende del valor de su masa.

No puedes poner un neutrino en una balanza

A día de hoy, los físicos han ideado varias formas independientes de pesar los neutrinos, de las cuales destacan dos. La primera consiste en estudiar el efecto de la masa de estas partículas en el universo. Pero, ¿cómo puede una partícula tan pequeña afectar a todo el universo? La clave está en la exorbitante cantidad de neutrinos que surca el espacio desde los primeros instantes tras el Big Bang. Aproximadamente, el volumen de un vaso de agua contiene unos cien mil neutrinos cósmicos. ¡Imagina cuántos vasos de agua son necesarios para llenar no solo el planeta Tierra, sino todo el universo! La presencia de tal cantidad de neutrinos a lo largo de la historia del cosmos cambia, entre otras cosas, la manera en que las galaxias se distribuyen en el espacio. En especial, cuanto más ligeros son los neutrinos, más dispersa es la distribución de las galaxias, y eso es algo que podemos observar.

Distribución de galaxias locales generada con los datos del Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Cada punto representa una galaxia. / SDSS

El segundo método consiste en estimar la masa de los neutrinos en el laboratorio. Como ya hemos mencionado, no podemos colocar un neutrino en una balanza, así, sin más. En lugar de ello, para pesar un neutrino en un laboratorio los científicos explotamos uno de los principios más básicos de la física: la conservación de la energía.

Uno de los procesos en los que se producen los neutrinos es en un tipo de desintegración radiactiva de los núcleos atómicos. Por ejemplo, cuando un neutrón que forma parte del núcleo se transforma en un protón. Como resultado de esta desintegración, el núcleo atómico produce un electrón (la conocida radiación beta) y un neutrino. De hecho, fue estudiando la energía de los electrones de la radiación beta como se supo en primer lugar que tenía que existir el neutrino, conclusión a la que llegó el físico Wolfgang Pauli en el año 1930.

Hoy en día, varios experimentos siguen estudiando la energía de dichos electrones, esta vez en busca del valor de la masa de los neutrinos. Cuando un átomo se desintegra emitiendo radiación beta, produce tanto un electrón como un neutrino, de modo que toda la energía que es radiada se distribuye entre estas dos partículas.

Si los neutrinos no tuvieran masa, podría ocurrir de vez en cuando que el electrón emitido adquiriera toda la energía liberada en el proceso. Sin embargo, como sabemos gracias a la famosa expresión E=mc² de Albert Einstein, crear cierta cantidad de masa cuesta una determinada cantidad de energía. Y los neutrinos tienen masa, algo que hemos aprendido al descubrir que oscilan al desplazarse. Por lo tanto, el electrón emitido en la radiación beta nunca podrá absorber toda la energía liberada en la desintegración atómica, ya que una parte es necesaria para crear la masa del neutrino, aunque este se produzca en reposo.

Uno de los experimentos más importantes que busca descubrir la masa del neutrino, basándose en la conservación de la energía en la radiación beta, es el experimento alemán KATRIN. Desafortunadamente, la masa del neutrino es tan pequeña que incluso la avanzada tecnología actual no nos ha permitido discernir todavía el peso de estas partículas. Sin embargo, los físicos podemos poner un límite superior al valor de su masa.

Recientemente, el equipo de investigadores que pertenecen al experimento KATRIN ha publicado sus primeros resultados, que nos dicen que el valor de la masa de los neutrinos tiene que ser inferior a dos millonésimas partes de la masa de un electrón. ¡Haría falta cerca de un cuatrillón (¡un uno seguido de veinticuatro ceros!) de neutrinos para alcanzar el peso de una minúscula mota de polvo! Por otro lado, el estudio de las propiedades cosmológicas de nuestro universo nos indica que los neutrinos podrían ser incluso diez veces más ligeros que el límite obtenido por KATRIN.

Con una masa tan pequeña y una capacidad de interacción casi nula, no es de extrañar que el neutrino sea conocido como la partícula fantasma.

 

* Pablo Fernández de Salas es investigador de la Universidad de Estocolmo. Hizo el doctorado en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia.

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