Autor: Emily Jennings
En la escuela y en cualquier clase de física, a los estudiantes se les dice que nada viaja más rápido que la velocidad de la luz. Sin embargo, esa afirmación podría dejar de ser cierta debido al neutrino, la partícula que podría ser capaz de trascender las dimensiones que la luz no puede. El concepto de neutrino es importante para nuestra comprensión del universo porque el neutrino puede utilizarse para determinar la velocidad de expansión del universo, así como su destino final1.
Todo el mundo ha oído hablar de los electrones, protones y neutrones, pero ¿qué es exactamente un neutrino? Un neutrino es una partícula exponencialmente pequeña sin carga eléctrica. Para poner en perspectiva el tamaño extraordinariamente pequeño de un neutrino, considere que se cree que los neutrinos son un millón de veces más pequeños que los electrones, que tienen una masa de 9,11 × 10-31 kilogramos2. Los neutrinos son probablemente las partículas más abundantes del universo y pueden ser más comunes que los fotones, la unidad básica de la luz. Dado que los neutrinos son tan comunes, se cree que su masa, que sigue siendo desconocida, tiene un efecto sobre la gravedad del universo1. Los neutrinos pueden atravesar casi todo, y lo hacen constantemente. De hecho, unos 400.000 millones de neutrinos procedentes sólo del sol atraviesan cada persona en la Tierra cada segundo. Según el físico Frank Close, «un neutrino puede atravesar un año luz de plomo sin chocar con nada «1. Los físicos también sospechan que los neutrinos pueden moverse a través de dimensiones prohibidas para la luz2.
Si los neutrinos son tan pequeños y atraviesan casi todo lo que conocemos, así como dimensiones potenciales desconocidas para nosotros, ¿cómo sabemos que los neutrinos existen? ¿De dónde vienen los neutrinos? La mejor forma de responder a estas preguntas es considerar la historia del descubrimiento de los neutrinos. En 1930, Wolfgang Pauli (el padre del principio de exclusión de Pauli) propuso la existencia del neutrino para explicar la conservación de la energía en la desintegración radiactiva beta. La desintegración radiactiva beta se produce cuando los protones se transforman en neutrones, como cuando los protones se fusionan cerca del centro del sol. En 1930, Pauli especuló que cuando se forman neutrones a partir de la fusión de protones, la energía extra es transportada por partículas ligeras y eléctricamente neutras. En aquel momento, Pauli no creía que lo que había propuesto fuera cierto; dijo: «He hecho algo terrible, he postulado una partícula que no puede ser detectada «3.
Los neutrinos se emiten cuando los protones se convierten en neutrones durante la desintegración radiactiva beta6.
En 1933, un físico italiano llamado Enrico Fermi bautizó la partícula misteriosa de Pauli como «neutrino» y creó una teoría cuantitativa para las interacciones de las partículas débiles que implicaban al neutrino. Unos 20 años más tarde, en 1956, dos físicos estadounidenses, Frederick Reines y Clyde Cowan, informaron de que habían detectado neutrinos utilizando un reactor de fisión como fuente de neutrinos y un detector de centelleo bien blindado4. Por fin se habían detectado los neutrinos, pero aún queda mucho por descubrir sobre estas diminutas partículas. La siguiente pieza del viejo rompecabezas de los neutrinos vino de la mano de Takaaki Kajita y Arthur McDonald, que recibieron el año pasado el Premio Nobel de Física por su descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos3.
Una cuestión sobre los neutrinos que ha desconcertado a los científicos es por qué la Tierra recibe tan pocos neutrinos. Los científicos han calculado el número teórico de neutrinos producidos por las reacciones de fusión que alimentan el sol, pero cuando se midió el número de neutrinos que la Tierra recibe realmente, faltaban casi dos tercios de la cantidad calculada3. La idea de las oscilaciones de neutrinos fue propuesta en 1998 por Kajita en el detector de neutrinos Super-Kamiokande, en Japón, para explicar la discrepancia en el número de neutrinos medidos en la Tierra.
En la mecánica cuántica, las partículas presentan propiedades tanto de partículas puntuales como de ondas, y los neutrinos no son una excepción. Cuando tres neutrinos diferentes (cada uno con una masa diferente) viajan por el espacio con ondas de frecuencias diferentes, se cree que cada uno de ellos es un tipo diferente de neutrino, y por tanto cada uno es un «sabor» diferente. Estos tres sabores diferentes son los tres tipos diferentes de neutrinos: neutrinos muón, neutrinos electrón y neutrinos tau5. Los físicos describen las ondas en términos de amplitud y fase, y cuando se suman varias ondas, sus fases se alteran. Cuando las ondas que forman un neutrino se suman, las fases no se cancelan a cero. Como el sabor de un neutrino depende de su fase, el sabor puede cambiar con el tiempo. Este fenómeno se denomina oscilación del neutrino, la metamorfosis de un neutrino de un sabor a un neutrino de un sabor diferente.
Kajita y McDonald demostraron que las oscilaciones del neutrino no son sólo teóricas. Kajita, que trabajaba en el detector de neutrinos Super-Kamiokande, a las afueras de Tokio (Japón), descubrió que el detector captaba algunos neutrinos de muones procedentes de la atmósfera superior y otros del otro lado del planeta después de que las partículas hubieran viajado a través de la Tierra. Dado que la Tierra no presenta ningún obstáculo considerable para los neutrinos, debería haber llegado el mismo número de neutrinos a través de la Tierra y directamente desde el sol. Sin embargo, Kajita descubrió que los neutrinos de muones que llegaron directamente a Super-Kamiokande eran más numerosos que los que pasaron primero por el globo. La única forma de explicar esta observación es que los neutrinos de muones que viajan a través de la Tierra se transformen en otro tipo de neutrino, en este caso, el neutrino tau. En el Observatorio de Neutrinos de Sudbury, en Ontario (Canadá), McDonald se encontró con una rareza similar. El laboratorio estaba midiendo los neutrinos de electrones que vienen directamente del sol, pero el número capturado de neutrinos de electrones era sólo un tercio del número esperado. Cuando los laboratorios reunieron sus cifras, descubrieron que el número de neutrinos calculado teóricamente había llegado de hecho a la Tierra, confirmando que los neutrinos se transforman en otros tipos de neutrinos. Por lo tanto, ¡las oscilaciones de los neutrinos son reales!
Este descubrimiento y esta conclusión han llevado a otra conclusión innovadora en la física de partículas: el Modelo Estándar, la teoría de cómo se organiza y funciona fundamentalmente el universo, no está realmente desarrollado en su totalidad porque requiere que los neutrinos no tengan masa3,5. Sin embargo, para que las oscilaciones de los neutrinos sean posibles, ¡los neutrinos deben tener masa3! Estas conclusiones han planteado muchas otras preguntas a los físicos de partículas. ¿Cuál es la masa de un neutrino? ¿Por qué los neutrinos son tan ligeros? Por último, ¿qué sugieren estas conclusiones sobre las dimensiones potenciales a las que se ha aludido anteriormente? La existencia de un neutrino con masa podría sugerir que esas otras dimensiones prohibidas a la luz son reales y están a la espera de ser descubiertas. Si se puede demostrar que un neutrino puede viajar más rápido que la velocidad de la luz tomando un atajo a través de una de las dimensiones prohibidas, entonces podemos extender la teoría de la relatividad de Einstein a esas dimensiones en las que la luz tiene prohibido entrar. Las implicaciones de tal aplicación podrían alterar radicalmente nuestra comprensión del tiempo y el espacio en relación con la vida tal y como la conocemos.
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- Chaisson, E. & McMillan, S.Capítulo 16: El Sol: Nuestra estrella madre. En Astronomy Today (7th ed.), Addison-Wesley (2010).