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Los neutrinos reciben un Nobel… y otro, y otro, y otro

Esta mañana hemos conocido el fallo de la Real Academia Sueca de las Ciencias sobre el Nobel de Física 2015, que ha galardonado al canadiense Arthur B. McDonald y al japonés Takaaki Kajita “por el descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos, que muestran que los neutrinos tienen masa”.

Imagen de Jonathunder / Wikipedia.

Imagen de Jonathunder / Wikipedia.

El de los neutrinos parece ser uno de los campos de la física que más resuena en los medios e interesa al público, y eso que algunos de los descubrimientos más esenciales sobre estas partículas aún están por venir.

Quien primero postuló su existencia fue Wolfgang Pauli, premiado con el Nobel; no por esta especulación teórica, sino por su famoso Principio de Exclusión. Hacia 1930 Pauli estudiaba la desintegración beta, un tipo de radiación emitida por ciertos isótopos favoritos de los bioquímicos como el carbono-14, el fósforo-32 o el tritio (hidrógeno-3). Mientras que la gorda radiación alfa, la del uranio o el plutonio, está compuesta por grandes núcleos atómicos que no atraviesan ni una hoja de papel, la radiación beta es más penetrante por sus partículas pequeñas, electrones o positrones, clásicamente llamados partículas beta.

A diferencia de la alfa, con la radiación beta ocurría algo extraño, y es que su espectro de energía es continuo, sin saltos; algo incongruente con el hecho de que un electrón tiene una energía discreta. Para explicar cómo se rellenaban esos huecos entre los saltos que deberían observarse, Pauli propuso la existencia de una partícula sin carga eléctrica y con masa muy pequeña. Inicialmente Pauli llamó a este factor “neutrón”, pero el nombre fue asignado simultáneamente a una partícula mucho más pesada del núcleo atómico. Se atribuye al físico italiano Edoardo Amaldi el haber acuñado el término “neutrino” casi como una italianización humorística de un neutrón más pequeño, y fue Enrico Fermi quien comenzó a popularizar este nombre.

La demostración de la existencia del neutrino tuvo que esperar 26 años, hasta 1956. Y la distinción del hallazgo con un premio Nobel aún debió esperar 39 años más, hasta 1995. Por entonces uno de sus dos autores, Clyde Cowan, ya había fallecido, por lo que el galardón fue para el otro, Frederick Reines. Sin embargo, otro Nobel para los neutrinos ya se había adelantado en 1988. Aquel año Leon Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinbergen recibieron el galardón por la demostración en 1962 de que existía más de un tipo de neutrino. Al neutrino electrónico o electrón neutrino descubierto por Cowan y Reines, los tres premiados en 1988 habían añadido un segundo “sabor”, el muón neutrino o neutrino muónico, que en el campo teórico antes de su demostración había recibido el también humorístico nombre de “neutretto“. El tercer sabor, el tauónico, no llegaría hasta 2000.

Los neutrinos quedaron así caracterizados como partículas sin carga que prácticamente no interactúan con las demás y que por lo tanto atraviesan cualquier materia, incluidos nosotros, sin sufrir alteración. Lo cual implica también que son muy difíciles de detectar. Según el Modelo Estándar de la física de partículas, los neutrinos no debían tener masa. Pero algo comenzó a levantar la sospecha de que no era así.

Buscando un tema interesante al que dedicarse, Raymond Davis Jr. construyó algunos de los primeros rudimentarios detectores de neutrinos con el fin de pescar esta esquiva partícula. En los años 60, Davis situó un tanque lleno de tetracloroetileno, el líquido de las tintorerías, en el fondo de una mina de Dakota. Con este experimento el físico logró por primera vez detectar neutrinos solares, algo que le valdría el Nobel en 2002 junto con el japonés Masatoshi Koshiba, el primero que detectó neutrinos cósmicos procedentes de una supernova desde el detector japonés Kamiokande; tercer Nobel para los neutrinos.

Sin embargo, el experimento de Davis dejó un problema pendiente: el número de neutrinos detectados era mucho menor del previsto según los modelos solares, algo que después corroboraron otros detectores. La incógnita quedaría pendiente de resolución durante décadas; pero entretanto, el italiano Bruno Pontecorvo elaboró una teoría que finalmente llegaría a explicar el misterio de los neutrinos desaparecidos.

El Observatorio de Neutrinos Sudbury, en Canadá. Imagen de Minfang Yeh, Ph.D.

El Observatorio de Neutrinos Sudbury, en Canadá. Imagen de Minfang Yeh, Ph.D.

Pontecorvo propuso que los neutrinos podían mutar, oscilar entre distintos sabores durante su viaje por el espacio. Esto explicaría que escaparan a los detectores capaces de pescar solo neutrinos electrónicos, pero al mismo tiempo requería que los neutrinos tuvieran masa, distinta para cada uno de los sabores; algo que no estaba contemplado en el Modelo Estándar. La oscilación de los neutrinos comenzó a ganar peso entre los físicos, pero no fue demostrada hasta finales de los 90 y comienzos de este siglo gracias a dos experimentos, el Sudbury en Canadá, liderado por Arthur B. McDonald, y el SuperKamiokande en Japón, dirigido por Takaaki Kajita. En particular, el primero era capaz de detectar todos los tipos de neutrinos. Con ello llegó la demostración de que los neutrinos poseen masa, aunque aún no se sabe cuánto. El hallazgo les ha valido hoy a ambos el Nobel, el cuarto para los neutrinos.

Hasta aquí, la información. Ahora, la opinión. Dejando aparte la aparente afición de la Real Academia Sueca de las Ciencias por premiar todo lo que sepa a neutrino, hay una clásica objeción al formato de los Nobel que se pone de manifiesto en este caso: el modelo del científico solitario y autosuficiente hace décadas que pasó a mejor vida. Con la finalización del Proyecto Genoma Humano a comienzos del presente siglo, muchas voces autorizadas se alzaron reclamando un Nobel para este logro. El problema era: ¿para quién?

Los premios suecos sostienen una fórmula de distinción individual que resulta obsoleta en la compleja ciencia actual, colaborativa y multidisciplinar. Al igual que el Genoma Humano, el Sudbury y el SuperKamiokande son experimentos complejos en los que probablemente han participado cientos de científicos. Recordemos la demostración del bosón de Higgs en el LHC; el Nobel fue para Higgs y Englert, sus teóricos; no habría habido manera de encajar al equipo del LHC en el formato de los premios. Si un equipo de científicos demostrara la evaporación de un microagujero negro creado experimentalmente, Stephen Hawking podría por fin recibir su Nobel. La teoría aún puede ser individual; la experimentación nunca lo es.

E incluso en este supuesto, pueden cometerse injusticias: tal vez Pontecorvo no haya podido recibir el Nobel como teórico de la oscilación de los neutrinos por la sencilla razón de que falleció en 1993. Pero en 2002 hubo un nombre fundamental que se quedó fuera de los premios: John Bahcall, colaborador de Davis y autor del sostén teórico en el que se basó el diseño experimental que llevó a la detección de los neutrinos solares.

Por no recordar los casos en los que un coautor esencial de un trabajo también ha sido excluido; un ejemplo es Rosalind Franklin, la investigadora que produjo los cristales sobre los que se estudió la estructura del ADN. Es cierto que Franklin ya había fallecido de cáncer cuando sus colegas Watson, Crick y Wilkins recibieron el premio; pero cuando hace unos años la Academia Sueca publicó sus archivos, se descubrió que Franklin nunca llegó a estar nominada.

Los neutrinos esquivan el telescopio europeo (y España esquiva el futuro gran telescopio europeo)

No ha habido suerte. ANTARES (acrónimo de Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental Research project), el gran telescopio europeo de neutrinos, no ha podido emular al IceCube, la instalación antártica que el pasado año confirmó por primera vez la detección de este tipo de partículas procedentes del espacio lejano. El observatorio europeo, fruto de la colaboración de unos 150 científicos, ingenieros y técnicos de ocho países, acaba de dar a conocer los resultados de seis años de investigación en un estudio enviado a la web de prepublicaciones arXiv.org, como paso previo a su difusión en una revista científica.

Los neutrinos son partículas subatómicas sin carga y con una masa muy pequeña que apenas interaccionan con otros elementos, por lo que atraviesan el espacio e incluso la materia sin desviarse. Los físicos calculan que cada centímetro cuadrado de la Tierra sufre el bombardeo de unos 65.000 millones de neutrinos solares por segundo. Otras fuentes lejanas que disparan rayos cósmicos producen los llamados neutrinos astrofísicos o de alta energía, lo que convierte a estas partículas en testigos que pueden delatar el origen de esta misteriosa radiación. En palabras del viceportavoz de ANTARES, Juan José Hernández Rey, investigador del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) del CSIC y la Universidad de Valencia, “el neutrino es la pistola humeante que te dice: sí, hay rayos cósmicos”.

 

Ilustración artística de ANTARES. J. A. Aguilar.

Ilustración artística de ANTARES. J. A. Aguilar.

Para evitar la interferencia de los rayos cósmicos y otras radiaciones de fondo en la detección de los neutrinos, estos telescopios suelen construirse bajo tierra, hielo o agua. El IceCube está compuesto por un kilómetro cúbico de sensores enterrados bajo el Polo Sur, mientras que ANTARES, con una disposición similar de módulos unidos por cables, está sumergido en el Mediterráneo, a 2,5 kilómetros de profundidad frente a la costa francesa de Tolón. Estos detectores pueden revelar el paso de los neutrinos gracias a la llamada radiación de Cherenkov, un chispazo de luz que se produce en raras ocasiones por la interacción de estas partículas con el hielo o el agua.

Desde el corazón de la galaxia

En noviembre de 2013, los investigadores del IceCube publicaron en la revista Science la detección de 28 neutrinos astrofísicos, más difíciles de atrapar que los solares. “Ahora dicen que ya han llegado a 35”, señala Hernández a Ciencias Mixtas. “El anuncio de IceCube nos entusiasmó, porque el fondo del mar dispersa menos luz que el hielo y por tanto tiene mayor resolución de detección”.

Los científicos de ANTARES han tratado de verificar siete eventos detectados por el IceCube que se concentraban en dirección al centro de la galaxia, “un lugar muy interesante por lo que ocurre allí, como la posible existencia de un agujero negro supermasivo”, apunta Hernández. Sin embargo, el telescopio ha logrado pescar neutrinos solares, pero no astrofísicos. “Vemos pequeñas fluctuaciones, pero no son significativas para decir que hemos visto algo. No tenemos una señal clara”, admite el investigador.

La decepción es solo relativa, ya que ANTARES, un enano en comparación con el IceCube, ha probado su valor. “Hemos demostrado la tecnología y la física, que hace una década estaban en discusión. En el fondo marino podemos ver neutrinos con la precisión adecuada y gracias a una estructura que era un reto técnico, ya que nunca se había construido algo así en el mar”, alega Hernández. Siendo así, ¿cuál será el siguiente paso? “Hacerlo más grande”, afirma. “Ya sospechábamos que necesitábamos algo mayor”.

Y ese “algo mayor” ya está en marcha. Será el KM3NeT, el Kilómetro Cúbico, aunque en realidad sus sensores llegarán a ocupar un volumen marino de cinco a seis kilómetros cúbicos una vez que su construcción se haya completado. El nuevo telescopio europeo de neutrinos será “50 veces mayor que ANTARES y casi diez veces más sensible que el IceCube en su configuración actual”, detalla Hernández. El KM3NeT repartirá sus sensores entre dos emplazamientos en las costas de Italia y Francia.

España no participa

¿Y España? “Hay fosas marinas adecuadas, en torno a los 2.500 metros, por ejemplo en la costa balear”, reseña Hernández. Pero la norma es sencilla: el que paga, manda. Y de la financiación aprobada de 30 millones para la Fase 1, que finalizará en 2016, España no aportará un solo euro, ni ha promovido la campaña de estudios y mediciones que se habría precisado para proponer una localización idónea en nuestra costa mediterránea. “En Francia e Italia incluso participan las regiones concernidas, pero aquí la administración no se ha comprometido. No hemos dado el paso adelante”, se lamenta Hernández. “Se ha producido un parón de muchas infraestructuras de ciencia debido a la crisis, incluso de aquellas que ya estaban aseguradas”.

Pese a todo, Hernández y el resto de sus colegas del IFIC y de las Universidades Politécnicas de Valencia y Cataluña continuarán participando a través de sus propios presupuestos de investigación. “Estamos en un impass a ver qué ocurre, pero no queremos descolgarnos”, relata el físico, seguro de que el KM3NeT logrará replicar la señal del IceCube y descerrajar los secretos que ocultan las fuentes de rayos cósmicos. “Es una nueva era para la astronomía”, concluye.