El neutrino está de cumpleaños

El neutrino está de cumpleaños

Publicado el diciembre 4, 2012 de Jorge Diaz

neutrino electrónico de ParticleZoo

Hoy contaré un poco de la historia de mi partícula favorita. Corría la década de 1920 y la física vivía años dorados: Hubble descubrió que nuestra galaxia era sólo una de miles, se descubrió la expansión del universo, la teoría de la relatividad era verificada experimentalmente, y grandes genios del siglo XX incluyendo a Bohr, Born,Heisenberg, Schrödinger, Dirac y Planck develaron uno de los grandes misterios de la naturaleza desarrollando la física cuántica. Experimentos alrededor del mundo confirmaban uno tras otro cómo esta nueva y extraña descripción del mundo subatómico funcionaba a la perfección. Sin embargo, a fines de esa década la física de partículas todavía en pañales enfrentaba una importante crisis. La radioactividad ya tenía un par de décadas y su descubrimiento le había significado el Premio Nobel a Henry Becquerel, Pierre y Marie Curie en 1903, sin embargo había un detalle que tenía a los teóricos de la época sin dormir tranquilos. La llamada desintegración beta ocurre cuando un núcleo atómico espontáneamente se transforma en otro emitiendo un electrón. Los físicos notaron que el nuevo núcleo atómico tenía un protón más que el original por lo que la carga eléctrica se conserva (protón y electrón tienen cargas de igual magnitud pero signo opuesto). Esto es muy importante ya que las leyes de la física funcionan en base a principios de conservación. Otra cantidad importante que debe conservarse es la energía. Todos hemos aprendido desde niños que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Y justamente aquí estaba el problema con la desintegración beta, ya que los cálculos mostraban que si la energía se conserva entonces el electrón siempre sería emitido con la misma energía ; sin embargo todos los experimentos mostraban que al desintegrarse el núcleo atómico, el electrón salía emitido con cualquier valor entre cero y . Tanto era desconcierto de los teóricos que el mismo Niels Bohr consideró que sería necesario abandonar el principio de conservación de la energía.

El nacimiento del neutrino

Desde siempre, las conferencias de física han servido no sólo como una reunión para debatir acerca de recientes descubrimientos y resultados sino que principalmente para discutir nuevas ideas (esto en realidad por qué vamos a conferencias). Así ocurrían las famosas discusiones entre Einstein y Bohr sobre física cuántica durante las Conferencias Solvay, cuya versión en 1927 permitió reunir a las lumbreras de la física teórica y experimental de la época en esta famosa imagen:

Cuarto de derecha a izquierda de pie aparece Wolfgang Pauli, distraído junto a Werner Heisenberg, parece estar enfocado en uno de sus rivales públicos Paul Ehrenfest (tercero de izquierda a derecha), con quien protagonizaron varias peleas verbales públicas. Era sabido que uno asistía a las charlas del otro sólo para fastidiarlo.
Pauli tenía 30 años en 1930 cuando no pudo asistir a una conferencia en Tubingen (Alemania) en la que se debatiría el problema de la desintegración beta.

Pauli celebra su 45° cumpleaños en medio de una charla en Princeton (1945)

Pauli tuvo una idea que resolvería el problema y salvaría al principio de conservación de la energía de una forma elegante pero radical. Pauli propuso que en la desintegración beta de un núcleo atómico no sólo se crea un protón y un electrón, sino que también se emitiría una tercera partícula que compartiría su energía con el electrón, de esta manera el electrón sería emitido a veces con mucha energía, otras veces con poca energía. Con esta hipotética partícula Pauli reconciliaría la teoría con los experimentos. Dado que la carga eléctrica ya era conservada, esta nueva partícula debería ser neutra por lo que Pauli la bautizó como “neutrón” (aunque lo que hoy llamamos neutrón fue descubierto en 1932 y no es el “neutrón de Pauli”). Como no pudo asistir a la conferencia, Pauli escribió el 4 de diciembre de 1930 una de las más famosas cartas en la historia de la física, dirigida a los participantes de la conferencia.

“Estimados y radiactivos damas y caballeros…” escribió, agregando un toque de humor a esta informal manera de expresar una nueva y genial idea. “He encontrado una medida desesperada para salvar la ley de conservación de la energía suponiendo que en el núcleo existen partículas sin carga eléctrica a los que llamaré neutrones. Las observaciones de la desintegración beta tienen sentido si además del electrón, un neutrón es emitido de tal manera que la suma de sus energías es constante” (). Es interesante ver cómo una idea que salvó uno de los principios fundamentales de la física nunca fue publicado. Pauli explica que “por ahora no me atrevo a publicar los detalles de esta idea, les confío a ustedes mi querida gente radiactiva la pregunta de cuán probable sería encontrar evidencia experimental de tal neutrón”. Con estas palabras Pauli literalmente inventó una nueva partícula como una medida desesperada a la posibilidad de abandonar un principio tan fundamental (conservación de la energía). Pauli incluye en su carta detalles sobre las propiedad que “su neutrón” debería tener y concluye diciendo “Debo admitir que mi solución puede parecer casi imposible ya que si existiera ya deberíamos haber visto estos neutrones. Pero si no nos arriesgamos no avanzaremos. Querida gente radiactiva, examinen y juzguen”.

“Certificado de nacimiento del neutrino”: Carta de Pauli a los participantes en la conferencia en Tubigen

En 1934, otro de los grandes físicos de la época, el italiano Enrico Fermi, postuló una teoría completa sobre las desintegraciones radiactivas que hoy conocemos como interacción débil. Fermi incorporó la idea de Pauli en su teoría, sin embargo en 1932 James Chadwick había descubierto el neutrón, por lo que el “neutrón de Pauli” (todavía hipotético) necesitaba otro nombre. Según los cálculos de Pauli, “su neutrón” debería tener una masa una 100 veces menor a la de un protón, dado que el neutrón descubierto por Chadwick era un poco más pesado que el protón Fermi exclamó “este neutrón es muy pesado, el neutrón de Pauli es más liviano, más pequeño, debereríamos llamarle el pequeño neutro”. Así es como el neutrón de Pauli pasó a llamarse neutrino, que en italiano significa “el pequeño neutro”.

Búsqueda del neutrino

Cowan y Reines con su detector de neutrinos

Los años pasaban y no aparecía evidencia del neutrino. Sin embargo los físicos experimentales son muy ingeniosos y basados en la teoría de Fermi sabían que grandes cantidades de neutrinos serían creados en reacciones nucleares. El Sol produciría neutrinos en grandes cantidades pero debido a la gran distancia sería muy difícil detectarlos. En 1945Frederick Reines trabajaba bajo la supervisión de Richard Feynman en Los Alamos como parte del Proyecto Manhattan, el cual concluye con la creación de la primera bomba nuclear. Más que una terrible arma, Reines vio una copiosa fuente de neutrinos en la Tierra. Durante la guerra fría las dos potencias nucleares testeaban sus armas y Reines planeaba instalar un detector de neutrinos para intentar probar su existencia, sin embargo el detector debía estar tan cerca que la explosión destruiría el detector. En 1952 Reines junto a Clyde Cowan deciden usar una “fuente pacífica de neutrinos” por lo que instalan su detector junto a un reactor nuclear en Hanford, en el estado de Washington. La teoría de Fermi también mostraba lo difícil que sería detectar un neutrino ya que rara vez interactúan con la materia. Usualmente se dice que “atrapar un neutrino es como intentar atrapar una bala con una malla para mariposas”. Esta propiedad fantasmal del neutrino de casi no interactuar la convierte en una partícula muy elusiva. Reines y Cowan denominaron a su búsqueda del neutrino “proyecto Polstergeist”. Luego de meses recolectando datos deciden instalar su detector en una planta nuclear con mayor potencia, esta vez en Savannah River en Carolina del Sur. Mejorando sus mediciones, en 1956 luego de más de dos décadas como una partícula hipotética, Reines y Cowan demuestran que la“solución desesperada” de Pauli es la correcta y que el neutrino existe. El 14 de junio de 1956 Reines y Cowan le enviaron un telegrama a Pauli contándole la noticia.

Nos alegra informale que hemos definitivamente detectado neutrinos de fragmentos de fisión nuclear al observar la desintegración beta inversa de protones. [...]

Frederick Reines y Clyde Cowan
Los Alamos, New Mexico
14 Junio 1956

Al día siguiente Pauli respondió a Reines y Cowan:

Gracias por el mensaje. Todo llega a quien sabe esperar.

Pauli.

Cuenta la leyenda que Pauli se encontraba en una conferencia en el CERN, donde se le reenvió el telegrama de Reines y Cowan. Allí lo leyó a los presentes. Más tarde Pauli abrió una botella de champagne para celebrar.
Reines recibió el Premio Nobel en 1995 por este decubrimiento (Cowan murió en 1974).
Luego de la confirmación de la existencia del neutrino, la siguiente meta fue detectar los neutrinos emitidos por el Sol así como los generados en la atmósfera por la colisión de rayos cósmicos con moléculas de aire. Esta nueva carrera causó nuevos misterios llamados “el problema de los neutrinos solares” y “el problema de los neutrinos atmosféricos”, lo que da para un post completo que espero publicar en el futuro.

En 1962 Leon Lederman (famoso por titular “La Partícula de Dios” a su libro sobre el bosón de Higgs), Melvin Schwartz y Jack Steinberger descubrieron que no sólo el neutrino es una partícula real, sino que hay dos tipos de neutrinos, lo que les dio el Premio Nobel en 1988. Recién en el año 2000 se confirmó que existe un tercer tipo de neutrino.

Neutrinos hoy

Hay muchas historias para contar sobre estos “pequeños neutros”, sin embargo en 2011 los neutrinos acapararon la atención de todo el mundo cuando el experimento OPERA anunció que sus neutrinos parecían viajar más rápido que la luz. Fue genial ver cómo los neutrinos se convertían en la partícula de moda, destronando al Higgs por unas semanas. Lamentablemente todo fue un error en la medición. Durante 2012 el Higgs ha recuperado su lugar en los medios, y todo parece indicar que podemos decir que el Higgs ha sido descubierto.
Hay mucho que no sabemos sobre los neutrinos lo que gatilla el interés en estudiarlos. Sin embargo existe otra razón más profunda: los neutrinos podrían responder la pregunta “¿por qué existimos?” ya que sus propiedades podrían haber permitido que hubiese más materia que antimateria luego del Big Bang lo que llevaría a la formación del univero en el que vivimos. Hay muchos otros motivos por los cuales estudiar a estos pequeñines (como se refirió a ellos Lederman en una conversación que tuvimos en 2011). Personalmente les he dedicado sólo los últimos 6 años de mi vida, pero espero seguir estudiándolos, una copia de la carta de Pauli adorna mi oficina como el “certificado de nacimiento” de mi partícula favorita. En mi investigación los uso como herramientas para comprender ciertas propiedades de la naturaleza ya que al ser tan pequeños son sensibles a los más pequeños defectos que el espaciotiempo pudiese manifestar (espero en el futuro contar más detalles).
Los neutrinos pudieron originar el universo en el que vivimos, son fantasmales,  65 mil millones de neutrinos provenientes del Sol atraviesan cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo cada segundo, llegan desde el cielo en el día y atraviesan la Tierra para aparecer desde el suelo en la noche, como una vez escribí estos pequeños neutros pueden ser bastante tenebrosos: “los neutrinos son partículas fantasmales observadas por primera vez gracias al proyecto Poltergeist, que durante la noche aparecen por debajo de tu cama”.

El neutrino sigue siendo la partícula fundamental más misteriosa del Modelo Estándar, por su baja probabilidad de interaccionar con la materia se ganó el apodo de partícula fantasmal (Ghost Particle) que personalmente encuentro mucho más interesante que una partícula divina (God Particle). Pauli nunca imaginó que su medida desesperada llevaría a una revolución que está lejos de terminar. Él mismo pensaba que el neutrino no sería observado:

Hoy he hecho algo terrible, algo que ningún físico teórico jamás debería hacer. He propuesto la existencia de algo que no puede ser verificado experimentalmente.

Wolfgang Pauli