Estamos inundados de neutrinos. Están entre las más ligeras de las dos docenas de partículas subatómicas conocidas y vienen de todas partes: del Big Bang que inició el universo, de la explosión de estrellas y, sobre todo, del sol. Atraviesan la Tierra casi a la velocidad de la luz, todo el tiempo, de día y de noche, en cantidades enormes. Unos 100 billones de neutrinos atraviesan nuestro cuerpo cada segundo.
El problema para los físicos es que los neutrinos son imposibles de ver y difíciles de detectar. Cualquier instrumento diseñado para ello puede parecer sólido al tacto, pero para los neutrinos, incluso el acero inoxidable es en su mayor parte espacio vacío, tan abierto como un sistema solar lo es para un cometa. Además, los neutrinos, a diferencia de la mayoría de las partículas subatómicas, no tienen carga eléctrica -son neutros, de ahí su nombre-, por lo que los científicos no pueden utilizar fuerzas eléctricas o magnéticas para capturarlos. Los físicos los llaman «partículas fantasma».
Para capturar estas entidades escurridizas, los físicos han realizado algunos experimentos extraordinariamente ambiciosos. Para que los neutrinos no se confundan con los rayos cósmicos (partículas subatómicas procedentes del espacio exterior que no penetran en la Tierra), se instalan detectores a gran profundidad. Se han colocado enormes en minas de oro y níquel, en túneles bajo las montañas, en el océano y en el hielo de la Antártida. Estos dispositivos, extrañamente bellos, son monumentos a la determinación de la humanidad de aprender sobre el universo.
No está claro qué aplicaciones prácticas tendrá el estudio de los neutrinos. «No sabemos a dónde nos va a llevar», dice Boris Kayser, físico teórico del Fermilab en Batavia, Illinois.
Los físicos estudian los neutrinos en parte porque los neutrinos son personajes muy extraños: parecen romper las reglas que describen la naturaleza en su aspecto más fundamental. Y si los físicos van a cumplir alguna vez sus esperanzas de desarrollar una teoría coherente de la realidad que explique los fundamentos de la naturaleza sin excepción, van a tener que dar cuenta del comportamiento de los neutrinos.
Además, los neutrinos intrigan a los científicos porque las partículas son mensajeras de los confines del universo, creadas por la explosión violenta de galaxias y otros fenómenos misteriosos. «Los neutrinos pueden ser capaces de decirnos cosas que las partículas más cotidianas no pueden», dice Kayser.
Los físicos imaginaron los neutrinos mucho antes de encontrarlos. En 1930, crearon el concepto para equilibrar una ecuación que no cuadraba. Cuando el núcleo de un átomo radiactivo se desintegra, la energía de las partículas que emite debe ser igual a la que contenía originalmente. Pero, de hecho, los científicos observaron que el núcleo perdía más energía de la que captaban los detectores. Así que, para dar cuenta de esa energía extra, el físico Wolfgang Pauli concibió una partícula extra e invisible emitida por el núcleo. «Hoy he hecho algo muy malo al proponer una partícula que no se puede detectar», escribió Pauli en su diario. «Es algo que ningún teórico debería hacer».
Los experimentadores comenzaron a buscarla de todos modos. En un laboratorio de armas nucleares de Carolina del Sur, a mediados de la década de 1950, colocaron dos grandes tanques de agua en el exterior de un reactor nuclear que, según sus ecuaciones, debería estar produciendo diez billones de neutrinos por segundo. El detector era minúsculo en comparación con los estándares actuales, pero aún así conseguía detectar neutrinos, tres por hora. Los científicos habían establecido que el neutrino propuesto era de hecho real; el estudio de la esquiva partícula se aceleró.
Una década más tarde, el campo se amplió cuando otro grupo de físicos instaló un detector en la mina de oro Homestake, en Lead, Dakota del Sur, a 4.850 pies bajo tierra. En este experimento, los científicos se propusieron observar los neutrinos controlando lo que ocurre en la rara ocasión en que un neutrino colisiona con un átomo de cloro y crea argón radiactivo, que es fácilmente detectable. El núcleo del experimento era un tanque lleno de 600 toneladas de un líquido rico en cloro, el percloroetileno, un líquido utilizado en la limpieza en seco. Cada pocos meses, los científicos enjuagaban el tanque y extraían unos 15 átomos de argón, prueba de 15 neutrinos. El seguimiento continuó durante más de 30 años.
Con la esperanza de detectar neutrinos en mayor número, los científicos de Japón dirigieron un experimento a 3.300 pies bajo tierra en una mina de zinc. Super-Kamiokande, o Super-K como se le conoce, comenzó a funcionar en 1996. El detector consta de 50.000 toneladas de agua en un tanque abovedado cuyas paredes están cubiertas con 13.000 sensores de luz. Los sensores detectan el ocasional destello azul (demasiado débil para nuestros ojos) que se produce cuando un neutrino colisiona con un átomo del agua y crea un electrón. Al trazar el camino exacto que recorre el electrón en el agua, los físicos pueden deducir el origen, en el espacio, del neutrino que colisiona. Descubrieron que la mayoría procedía del sol. Las mediciones fueron lo suficientemente sensibles como para que Super-K pudiera seguir la trayectoria del sol a través del cielo y, desde casi una milla por debajo de la superficie de la tierra, ver cómo el día se convierte en noche. «Es algo realmente emocionante», afirma Janet Conrad, física del Instituto Tecnológico de Massachusetts. Los rastros de las partículas pueden compilarse para crear «una bella imagen, la foto del sol en neutrinos»
Pero los experimentos Homestake y Super-K no detectaron tantos neutrinos como los físicos esperaban. La investigación en el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO, pronunciado «nieve») determinó el motivo. Instalado en una mina de níquel de 1.800 metros de profundidad en Ontario, el SNO contiene 1.100 toneladas de «agua pesada», que tiene una forma inusual de hidrógeno que reacciona con relativa facilidad con los neutrinos. El fluido se encuentra en un tanque suspendido dentro de una enorme bola de acrílico que, a su vez, se encuentra dentro de una superestructura geodésica, que absorbe las vibraciones y de la que cuelgan 9.456 sensores de luz, todo ello con el aspecto de un adorno de árbol de Navidad de 9 metros de altura.
Los científicos que trabajan en el SNO descubrieron en 2001 que un neutrino puede cambiar espontáneamente entre tres identidades diferentes, o como dicen los físicos, oscila entre tres sabores. El descubrimiento tuvo implicaciones sorprendentes. Por un lado, demostró que los experimentos anteriores habían detectado muchos menos neutrinos de los previstos porque los instrumentos estaban sintonizados con un solo sabor de neutrino -el que crea un electrón- y no veían los que cambiaban. Por otro lado, el hallazgo echó por tierra la creencia de los físicos de que un neutrino, como un fotón, no tiene masa. (Oscilar entre sabores es algo que sólo pueden hacer las partículas con masa.)
¿Cuánta masa tienen los neutrinos? Para averiguarlo, los físicos están construyendo KATRIN, el Experimento de Neutrinos de Tritio de Karlsruhe. KATRIN cuenta con un dispositivo de 200 toneladas llamado espectrómetro que medirá la masa de los átomos antes y después de su desintegración radiactiva, revelando así cuánta masa se lleva el neutrino. Los técnicos construyeron el espectrómetro a unas 250 millas de Karlsruhe (Alemania), donde funcionará el experimento; el dispositivo era demasiado grande para las estrechas carreteras de la región, por lo que se colocó en un barco en el río Danubio y flotó pasando por Viena, Budapest y Belgrado, en el Mar Negro, a través del Egeo y el Mediterráneo, alrededor de España, a través del Canal de la Mancha, hasta Rotterdam y en el Rin, y luego hacia el sur hasta el puerto fluvial de Leopoldshafen (Alemania). Allí fue descargado en un camión y atravesó la ciudad hasta llegar a su destino, dos meses y 5.600 millas después. Está previsto que empiece a recopilar datos en 2012.
Físicos y astrónomos interesados en la información que los neutrinos del espacio exterior podrían aportar sobre supernovas o galaxias en colisión han creado «telescopios» de neutrinos. Uno de ellos, llamado IceCube, está dentro de un campo de hielo en la Antártida. Cuando esté terminado, en 2011, constará de más de 5.000 sensores de luz azul (véase el diagrama anterior). Los sensores no apuntan al cielo, como cabría esperar, sino al suelo, para detectar los neutrinos procedentes del sol y del espacio exterior que atraviesan el planeta desde el norte. La Tierra bloquea los rayos cósmicos, pero la mayoría de los neutrinos atraviesan el planeta de 8.000 millas de ancho como si no estuviera allí.
Un experimento de neutrinos a larga distancia se está llevando a cabo bajo varios estados del Medio Oeste. Un acelerador de alta energía, que genera partículas subatómicas, dispara haces de neutrinos y partículas afines hasta seis millas de profundidad, bajo el norte de Illinois, a través de Wisconsin y hasta Minnesota. Las partículas parten del Fermilab, como parte de un experimento denominado Búsqueda de Oscilación de Neutrinos en el Inyector Principal (MINOS). En menos de tres milésimas de segundo, llegan a un detector en la mina de hierro de Soudan, a 450 millas de distancia. Los datos que los científicos han reunido complican su imagen de este mundo infinitesimal: ahora parece que formas exóticas de neutrinos, los llamados antineutrinos, podrían no seguir las mismas reglas de oscilación que los demás neutrinos.
«Lo que mola -dice Conrad- es que no es lo que esperábamos»
Cuando se trata de neutrinos, muy pocas cosas lo son.
El último libro deAnn Finkbeiner, A Grand and Bold Thing, trata sobre el Sloan Digital Sky Survey, un esfuerzo por cartografiar el universo.
