¿Qué son los neutrinos?

Los neutrinos son partículas fundamentales en la estructura del universo, pero paradójicamente son las menos entendidas. Estas partículas subatómicas son producidas durante el decaimiento de elementos radioactivos. Son las partículas elementales de menor masa (una millmillonésima parte de la masa de un átomo de Hidrógeno) y no poseen carga eléctrica.

Aunque su existencia fue predicha por el físico Wolfgang Pauli en 1931 (arriba, derecha), para que se cumplieran las leyes de conservación de la energía y el momento en ciertos decaimientos radiactivos, deben su nombre al físico italiano Enrico Fermi (abajo, derecha), quien desarrolló la teoría del decaimiento radioactivo en 1934, incluyendo a la partícula de Pauli, a que bautizó como neutrino. De todas las partículas de alta energía los neutrinos que interactúan débilmente son los únicos capaces de dar pistas sobre lo que ocurre en procesos de muy alta energía y de aportar datos astronómicos sobre los confines del universo. Los neutrinos viajan esencialmente a la velocidad de la luz y no son afectados por campos magnéticos, sólo por la fuerza subatómica o nuclear débil que es de mucho menor alcance que las fuerzas electromagnéticas, que actúan por ej. entre los electrones, y por la fuerza gravitatoria que es la más débil de todas las fuerzas. Por ende son capaces de viajar distancias enormes en la materia sin ser afectados por ésta. Esta elusiva partícula pudo ser detectada en el laboratorio recién en 1956, y F. Reines fue galardonado por el Premio Nobel en 1995 a raíz de este descubrimiento.

Estos neutrinos se comportan en forma diferente según la partícula cargada a la cual estén asociados, así se los clasifica en tres clases o sabores: el neutrino electrónico asociado al electrón, el muónico asociado al muón y el tau, asociado a la partícula tau. La comprobación de la masa del neutrino implicó la posibilidad de transformaciones de un tipo de neutrino en otro, fenómeno que se conoce como oscilación de neutrinos.

La mayoría de los neutrinos que están en el universo actual fueron originados hacer alrededor de 15 billones de años, después del Big Bang. Desde ese entonces el universo se está expandiendo y enfriando, y la enorme cantidad de neutrinos existentes forman el llamado fondo de radiación cósmica cuya temperatura es de 1,9 grados Kelvin, es decir -271,2 grados centígrados. El Sol es la fuente más importante de producción de neutrinos, que se producen en su interior por desintegración radiactiva y escapan atravesando también la Tierra. Otros neutrinos se producen constantemente en las centrales nucleares, aceleradores de partículas, durante fenómenos atmosféricos, o nacimiento y muertes de estrellas, así como en explosiones de supernovas.

En septiembre de 2011, la colaboración OPERA, un experimento realizado entre dos laboratorios uno en el CERN, en Suiza, y el otro en el Monte Sasso, Italia, anuncia que del análisis de las mediciones del experimento surge que la velocidad de cierta clase de neutrinos toma valores superlumínicos. Es decir que se detectan neutrinos viajando a velocidades mayores que la de la luz, lo cual entraría en contradicción con la teoria de la relatividad. En noviembre de 2011 y debido a las polémicas desatadas se anunciaron nuevos experimentos para comprobar o refutar estos resultados.

Finalmente, el 8 de junio de 2012, el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) anunció que los recientes experimentos demostraban que la velocidad de los neutrinos NO era mayor que la velocidad de la luz, descartando la posibilidad de neutrinos superlumínicos, como se había sugerido a raíz del experimento OPERA realizado durante el año 2011.

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Por su naturaleza la detección de neutrinos es muy dificil. La primera prueba se efectúo 1967 mediante un detector que usaba cloro, y que podía capturar neutrinos en un proceso radiactivo. El detector tenía un tanque con cerca de 400 mil litros de fluido enterrado en una mina para protegerlo de los efectos indeseados de la radiación cósmica de fondo. Sin embargo, los resultados de las mediciones arrojaron un resultado de un tercio del flujo de neutrinos esperados, lo cual despertó muchas dudas, de modo que se comenzaron a desarrollar otros sistemas de detección. El mas famoso fue el super KamioKande, construido en 1987 en la mina Kamioka en Japón, que medía la radiación producida al chocar los neutrinos con electrones en un medio acuoso, dando lugar a la llamada radiación de Cherenkov, que era capturada por detectores en las paredes de un recipiente de 40 m de diamétro y 40 de alto. Con este dispositivo se pudieron detectar los neutrinos emitidos en la explosión de la supernova 1987A, y también neutrinos solares que confirmaron los resultados obtenidos empleando el detector con cloro. Su logro más espectacular es el haber podido medir (o acotar el valor de) la masa del neutrino en 1998, lo que condujo al otorgamiento del premio Nobel de Física a Takaaki Kajita en 2015.

El más reciente detector de neutrinos es el llamado cubo de hielo un observatorio antártico de neutrinos construido en el Polo Sur en 2010. Posee más de 5000 detectores ópticos embutidos en un bloque de hielo de 1km cúbico que detecta los radiación que emiten los neutrinos al interactuar con el hielo. Este es el medio perfecto para detectar los neutrinos que llegan a la Tierra viajando billones de años a través del universo para finalmente interactuar con una molécula de hielo.

Precisamente durante 2013 el detector hizo su primera observación de neutrinos cósmicos, procedentes del exterior del sistema solar, que poseían la energía más elevada detectados a la fecha, unas cien millones de veces mayor que los neutrinos que alcanzan la Tierra, producidos por explosiones de supernovas. Estos neutrinos son muy díficiles de observar, ya que si bien billones de neutrinos bombardean la Tierra cada segundo, la mayor parte de ellos procede del Sol o de la alta atmósfera terrestre. Se conjetura que podrían haberse originado en una explosión de supernova o en un núcleo galáctico activo, de allí su importancia, dado que pueden proveer de información sobre fenómenos muy distantes que involucran muy altas energías.

En octubre de 2015 el japonés Takaaki Kajita y el canadiense Arthur McDonald (en la imagen a la derecha), recibieron el Premio Nobel de Física

por su descubrimiento de la oscilación de los neutrinos.

Los neutrinos se presentan en 3 clases o tipos diferentes. El hecho de que puedan cambiar (u oscilar) de un tipo a otro se debe a que poseen masa.

Kajita observó la oscilación de los neutrinos en el Super Kamiokande, y vio que estos oscilaban entre dos estados o tipos diferentes. McDonald trabajó en el Observatorio de Neutrinos de Sudbury, Ontario, en Canadá, a más de dos mil metros bajo tierra, en una vieja mina de níquel, y allí observó que los neutrinos procedentes del Sol, no desaparecían sino que oscilaban entre dos tipos distintos, en forma similar a lo detectado por Kajita. Este descubrimiento fue crucial para demostrar que los neutrinos poseen masa.