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Neutrino: ¿la partícula que destruirá la física del siglo XX?

3 marzo 2012

(Texto original del artículo aparecido en diciembre de 2011 en la revista Muy Interesante

El viernes 23 de septiembre de 2011 un grupo de físicos italianos anunciaba al mundo que unas elusivas partículas subatómicas llamadas neutrinos había roto la barrera cósmica para la velocidad que estableciera Albert Einstein en 1905: la velocidad de la luz. El día anterior por la noche habían publicado en ArXiv.org, un archivo donde físicos y matemáticos publican sus borradores de artículos científicos, el análisis de su experimento. Hacía tiempo que la comunidad de físicos teóricos no se alteraba tanto. La última vez fue en 1997, cuando Perlmutter y Schmidt descubrieron que la expansión acelerada del universo y que ha sido motivo del pasado premio Nobel de Física.

Pero se trataba de una excitación modulada: nadie se creía que realmente se hubiera roto uno de los sacrosantos pilares de la física moderna. Debía haber algún error en el experimento. Chang Kee Jung, un físico experto en neutrinos de la Universidad de Stony Bok en Nueva York lo expresó de forma muy gráfica: “No apostaría a mi mujer y a mis hijos, pero apostaría mi casa”. La apuesta de la mayoría de los físicos es que se dio algún tipo de error sistemático, la bestia negra de la ciencia experimental: quizá algún defecto en el instrumental, un fallo en el proceso de medición…

No es raro que el epicentro de este revuelo sean los neutrinos. Son unas partículas que desde que el físico alemán Wolfgang Pauli predijo su existencia allá por 1931 no han dejado de provocar quebraderos de cabeza a los físicos de partículas. Primero, es una partícula que interacciona muy débilmente con la materia: se le ha definido como un cuchillo muy afilado sin mango… y sin hoja. Sería capaz de atravesar un muro de plomo de varios cientos de miles de millones de kilómetros de espesor como si fuera aire. O dicho de otro modo: de los neutrinos provenientes de las reacciones nucleares que se producen en el interior del Sol sólo detectamos uno de cada 5.000 millones de ellos… una vez que han atravesado la Tierra. Es por eso que la confirmación de su detección se produjo 20 años más tarde, en 1956, por Clyde Cowan, Jr. y Fred Reines –descubrimiento que le valió el Nobel a Reines en 1995; Cowan había muerto en 1974–.

Semejante dificultad a la hora de detectarlos ha obligado a los físicos a tomar dos decisiones. La primera, utilizar grandes detectores: cuanta más masa tenga, más probable es que un neutrino despistado choque con algún átomo. Así, en Japón se encuentra Super-Kamiokande, un detector que contiene 50.000 toneladas de agua. La segunda es enterrar el detector en el lugar más profundo posible para blindarlo de manera que nada perturbe su detección. Es la misma situación que se nos presenta cuando queremos charlar con un amigo afónico: el ruido de otras conversaciones en un bar atestado de gente nos impide oír su voz; para escuchar el susurro de los neutrinos debemos ir a un lugar silencioso. Por eso los físicos se van a minas –Kamioka en Japón, Homestake en EE UU o Sudbury en Canadá– o túneles bajo montañas –Gran Sasso en Italia o Canfranc en España–.

En 1968 a Ray Davis, del Laboratorio Nacional de Brookhaven (EE UU), se le ocurrió que sería interesante estudiar los neutrinos que salen del interior del Sol. Debido a las reacciones nucleares de fusión que se producen en el corazón de la estrella, cada vez que cuatro núcleos de hidrógeno se convierten en uno de helio se producen dos neutrinos, que inmediatamente escapan al espacio. Davis pretendía entender lo que sucede en el centro del Sol y se encontró con una sorpresa: su equipo detectaba solo el 30% de los neutrinos que la teoría predecía que debían llegar a la Tierra. Bautizado con el nombre de “el problema de los neutrinos solares”, fue confirmado en 1989 por el experimento japonés Kamiokande -precursor del actual Super-Kamiokande–. En 2002 el experimento SNO, en Sudbury (Canadá) demostró que la cantidad de neutrinos recibidos en la Tierra del tipo que la teoría predice que deben ser producidos por el Sol es un tercio del número total de neutrinos que llegan. ¿Qué estaba ocurriendo? Algo que el italiano Bruno Pontecorvo había predicho en 1957: la oscilación del neutrino.

La cuestión es que existen tres tipos de neutrinos y el equipo de Davis detectaba solo uno de ellos. La única forma de explicarlo sin echar abajo todo lo que sabemos sobre reacciones nucleares es que durante el viaje a la Tierra el neutrino cambia de traje y se convierte en uno de los otros dos. La solución es elegante y en 1998 un equipo de físicos japoneses y norteamericanos había demostrado en Super-Kamiokande que tal oscilación se daba con los neutrinos producidos en la atmósfera por las colisiones de los rayos cósmicos.

Que el neutrino oscile ha hecho que los físicos de partículas miren hacia otro lado cuando se habla de ello. Y no es para menos, porque si oscila es que tiene masa. Muy pequeña, eso sí, pero no nula. Como mucho, menos de una millonésima parte de la masa del electrón. Y eso son muy malas noticias para el cuidadoso edificio que los científicos han construido para explicar el mundo subatómico y que recibe el nombre de el Modelo Estándar. Según él, la masa del neutrino es estrictamente cero. Y ahí están los datos experimentales sacándoles la lengua y exigiendo un cambio, quizá radical, en la física de partículas. Un cambio que aún no se ha dado.

La masa del neutrino tiene otras consecuencias. Si no la tuviera se movería a la velocidad de la luz, como predice la teoría especial de la relatividad de Einstein –que explica lo que sucede cuando nos viajamos a velocidades cercanas a la de la luz-. Que tenga masa, aunque sea muy pequeña, implica que debe moverse más despacio que la luz. Y aquí es donde surge el nuevo problema.

Diez años antes de la rueda de prensa de septiembre, el físico chino Guang-Jiong Ni de la Universidad Fudan en Shangai, publicaba varios artículos teóricos en los que defendía que en el universo podían existir partículas superlumínicas y afirmaba claramente que una de esas partículas era el neutrino. En 2007 el experimento norteamericano MINOS, diseñado para estudiar la oscilación del neutrino enviando un chorro de estas partículas desde el Fermilab de Chicago hasta Minnesotta, a 724 km, observó ciertos indicios que apuntaban a una velocidad superior a la de la luz, pero el error en la medición no permitía lanzar las campanas al vuelo. En 2011, los italianos del experimento OPERA (acrónimo del inglés Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), con un detector de 1.800 toneladas también destinado a estudiar la oscilación el neutrino, volvieron a la carga.

Esta vez se enviaron chorros de neutrinos desde las instalaciones del CERN en Ginebra hasta los túneles de Gran Sasso, en el centro de Italia. Este viaje de 730 kilómetros fue realizado en menos de 3 milisegundos, así que uno puede imaginarse la precisión con la que se deben hacer las mediciones. Según el equipo italiano, los neutrinos llegaron 60 nanosegundos -60 milmillonésimas de segundo- antes de lo que haría la luz. Y no solo eso, sino que afirmaban que sus resultados tenían una significancia estadística de 6-sigma, una manera de estimar la validez estadística de un resultado. Un valor de 5-sigma es suficiente para aceptar un resultado experimental y 6-sigma es para descorchar botellas de champán. Pero eso en un experimento normal, no en uno con el que se pretende volar por los aires una de las teorías científicas fundamentales del siglo XX.

La comunidad científica recibió estos resultados con escepticismo: hay que esperar otros experimentos que lo confirmen o desmientan. Muchos piensan que se ha cometido un error garrafal, pues este comportamiento del neutrino no cuadra con otros perfectamente conocidos. Por ejemplo, el chorro de estas partículas que se recibió en la Tierra cuando el 23 de febrero de 1987 estalló una supernova en una de nuestras galaxias satélites, la Gran Nube de Magallanes, situada 168.000 años-luz. Los neutrinos llegaron a nuestro planeta 3 horas antes que la luz del estallido debido a que los fotones no poseen esa habilidad fantasmagórica de los neutrinos de atravesar la materia sin interaccionar con ella –esto también sucede en nuestro Sol: los neutrinos creados en su núcleo salen inmediatamente pero los fotones tardan un millón de años en llegar a la superficie–. Si realmente los neutrinos viajaran más rápido que la luz, los hubiéramos recibido 4,14 años antes, según ha calculado el físico Ben Still de la Universidad de Londres.

Toda una avalancha de artículos ha ido apareciendo para desmontar lo que podríamos llamar el caso de los neutrinos superlumínicos. No solo porque a los físicos les parezca pretencioso acabar con la teoría especial de la relatividad, un pilar fundamental de la física moderna, sino porque si fuera así caería uno de los principios más queridos de la ciencia, la causalidad. La razón es bien simple: toda partícula que viaje más rápido que la luz, viaja hacia atrás en el tiempo. La caída de esa barrera cósmica que es el valor de la velocidad de la luz permitiría a un tren llegar a la estación antes de salir, y eso es algo que no se puede aceptar en base a unos pocos experimentos muy sensibles a errores experimentales. Habrá que esperar.

(Nota: Recientemente se ha apuntado la fuente de error que todos estaban buscando: las medidas de GPS.)


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