Premio Nobel de Física 2015: Oscilaciones de neutrinos

Kajita y McDonald han sido premiados por haber jugado un papel clave en dos experimentos subterráneos que han observado neutrinos procedentes del Sol u originados en la atmósfera a partir de la radiación cósmica. Sus resultados demuestran que estas partículas elementales cambian de identidad durante su propagación, un hecho que solo puede explicarse si los neutrinos tienen masa, aunque sea diminuta. Pero, ¿qué son los neutrinos? ¿Por qué se han de medir bajo tierra? ¿Por qué su carácter camaleónico es tan importante?

Los ladrillos de la materia ordinaria, que compone la Tierra, el Sol, las estrellas y nosotros mismos, son los átomos. Estos están formados por un núcleo de protones y neutrones y una nube de electrones que lo rodea. Protones y neutrones son partículas compuestas por otras llamadas quarks que son, como los electrones, las verdaderas partículas elementales que constituyen la materia. Los neutrinos son otras partículas fundamentales, que no forman parte de la materia ordinaria pero pueden crearse en varios procesos, tanto en la Tierra como en el espacio. Por ejemplo, en ciertos casos un núcleo atómico es inestable y sufre un proceso de desintegración (llamada beta) dando lugar a otro núcleo, a un electrón y a un neutrino.

	Kajita y McDonald han sido premiados por haber jugado un papel clave en dos experimentos subterráneos que han observado neutrinos procedentes del Sol u originados en la atmósfera a partir de la radiación cósmica

Precisamente, fue a partir del estudio de la desintegración beta cómo Wolfgang Pauli predijo en 1930 la existencia de una nueva partícula sin carga eléctrica y muy ligera, como solución desesperada a la aparente falta de conservación de la energía. Poco después, Enrico Fermi fue capaz de describir los procesos donde intervenía esa nueva partícula neutra, relacionados con un nuevo tipo de fuerza (la fuerza nuclear débil) y, de paso, le puso nombre: el neutrino (el pequeño neutro, en italiano). Durante años, los neutrinos solo fueron una idea teórica porque la extrema debilidad de sus interacciones los convierte en casi imposibles de detectar. Son las llamadas partículas fantasma, que están por todas partes pero son muy difíciles de ver en un experimento. Solo en 1956 pudieron ser observados, al fin, neutrinos producidos en un reactor nuclear, un logro por el que Frederick Reines obtuvo el Premio Nobel en 1995 (el otro responsable, Clyde Cowan, ya había fallecido). Ese fue el pistoletazo de salida a la física experimental de neutrinos, que en las últimas cinco décadas nos ha dado muchas pistas sobre las propiedades de estas escurridizas partículas, algunas de ellas revolucionarias para la física de partículas y la cosmología.

En el marco del llamado Modelo Estándar, que explica prácticamente todos los resultados experimentales de la física de partículas, existen tres tipos de neutrinos, cada uno de ellos asociado a su compañero cargado: el electrón, el muon y el tau (estos dos últimos, más pesados e inestables). Así, un neutrino puede ser de tipo electrónico, muónico o tauónico, una etiqueta que también se conoce como el sabor del neutrino. Al crearse, un neutrino es de un tipo determinado que mantiene durante su propagación, una característica debida a que su masa es nula de acuerdo con el Modelo Estándar. Por ejemplo, las estrellas brillan gracias a procesos de fusión nuclear que producen energía (luz), pero también neutrinos, exclusivamente del tipo electrónico.

Desde finales de la década de 1960 contamos con experimentos de medida de neutrinos electrónicos procedentes del Sol, una ardua empresa iniciada por Raymond Davis (Premio Nobel de Física en 2002 junto a Masatoshi Koshiba por su papel pionero en la detección de neutrinos). Como detectar neutrinos es tan poco frecuente, los experimentos se sitúan bajo tierra, por ejemplo en minas, para que la materia circundante actúe de filtro para otro tipo de partículas que podrían enmascarar su señal. Durante años, varios experimentos mostraron que se detectaban menos neutrinos solares de lo esperado, un problema que fue achacado a los propios experimentos, a una predicción imprecisa del modelo solar o a alguna propiedad desconocida de los mismos neutrinos. Ahora sabemos que la culpa era de los propios neutrinos y de su carácter cambiante, como demostraron los experimentos de Kajita y McDonald.

Situado en una mina de zinc en Japón, a 1 km de profundidad, el experimento Super-Kamiokande (SK) es un enorme tanque lleno de 50.000 toneladas de agua ultrapura, de unos 40 m de alto y casi lo mismo de ancho. Sus paredes están forradas de miles de detectores que observan su interior en busca de los tenues destellos de luz que indicarían que un neutrino ha interaccionado, por ejemplo, con un electrón del agua. SK es capaz, además, de distinguir si la señal corresponde a un neutrino de sabor electrónico o muónico. Uno de los objetivos del experimento fue medir los neutrinos creados en los choques de las partículas de la radiación cósmica con la atmósfera, que llegan a SK tanto desde la vertical como desde abajo, atravesando el interior de la Tierra. La toma de datos comenzó en 1996 (y, con algunos arreglos, SK sigue en uso en 2015) y solo dos años más tarde Takaaki Kajita presentó sus resultados que mostraban, sin duda, que el número de neutrinos muónicos dependía de la dirección de llegada mientras que no era el caso para los neutrinos electrónicos. Las medidas eran compatibles con un cambio de tipo de neutrino, que tras nacer con sabor muónico mutaban a tauónico (no observable en SK).

Por su parte, el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO, por sus siglas en inglés) era un experimento situado a 2 km de profundidad en una mina de níquel en Canadá. SNO era más pequeño que SK, con solo mil toneladas de agua, pero con la característica de ser agua pesada, donde el hidrógeno de sus moléculas tiene un neutrón adicional en su núcleo. Este isótopo se llama deuterio y presenta la ventaja de que, en ciertos procesos, las colisiones de los neutrinos sean posibles para todos los tipos de neutrinos y no solo para los electrónicos. Bajo la dirección de Arthur McDonald, la colaboración que gestionaba el experimento SNO demostró que la cantidad total de neutrinos detectados estaba de acuerdo con lo esperado por el modelo solar, pero solo si se sumaban los de cualquiera de los tres sabores.

Los resultados de los experimentos SK y SNO confirmaron indicios anteriores de que los neutrinos pueden cambiar de tipo durante su propagación. Estas metamorfosis de los neutrinos se llaman oscilaciones de sabor y son una consecuencia de la física cuántica que requiere que los neutrinos, aún siendo partículas muy ligeras, tengan masa. Este hecho tiene profundas consecuencias para la física teórica de partículas, pues prueba que el Modelo Estándar es incompleto a pesar de su éxito predictivo y del hallazgo del bosón de Higgs en el acelerador LHC del CERN en 2012. Debe existir una teoría más allá de este modelo que explique las masas de los neutrinos, y en particular por qué son mucho menores que las de otras partículas. Por otra parte, como los neutrinos son muy abundantes en el Universo (en número, solo por debajo de los fotones del fondo cósmico), incluso si su masa es muy pequeña pueden modificar la evolución cósmica y la formación de grandes estructuras.

Hoy en día la investigación en física de neutrinos continúa, más intensamente que nunca, y en muchos casos con participación activa de grupos de instituciones españolas. Por ejemplo, la reciente medida de neutrinos cósmicos de alta energía, con detectores en el fondo del mar o bajo el hielo del polo Sur, ha dado origen al campo de la astronomía con neutrinos. Además, queremos saber si el neutrino es su propia antipartícula. La partícula fantasma todavía tiene secretos por desvelar.