El variable "sabor" de los neutrinos

A un kil¨®metro de profundidad en una mina japonesa, con un detector llamado Super-Kamiokande que es esencialmente una piscina de 50.000 metros c¨²bicos de agua, un grupo multinacional de 120 cient¨ªficos habr¨ªa obtenido indicaciones convincentes de que los neutrinos pueden oscilar entre un sabor y otro y que tienen por ende masa. ?Qu¨¦ quiere todo esto decir?So?aba el alquimista con transmutar plomo en oro, algo que hoy ser¨ªa factible, aunque m¨¢s caro que el oro resultante. Los is¨®topos radiactivos se transmutan incluso de modo espont¨¢neo y gratuito: carbono en nitr¨®geno, hierro en cobalto, oro en mercurio y un largu¨ªsimo etc¨¦tera. Todas estas transmutaciones tienen una misma explicaci¨®n: en el n¨²cleo del ¨¢tomo original, un neutr¨®n se desintegra transform¨¢ndose en tres part¨ªculas: un prot¨®n, un electr¨®n y un determinado tipo de neutrino.

Sabemos que existen neutrinos de al menos tres tipos distintos, que los f¨ªsicos, como si de caramelos se tratase, llamamos sabores. El citado neutrino, que nace junto a un electr¨®n, tiene sabor electr¨®nico. Cre¨ªamos saber que el sabor con el que un neutrino nace es algo que no se olvida: si m¨¢s tarde nuestro neutrino electr¨®nico interacciona con la materia, recuerda su sabor y puede transmutarse de nuevo en un electr¨®n (o m¨¢s precisamente en un electr¨®n positivo, o positr¨®n). Los neutrinos de los otros dos sabores est¨¢n cada cual asociado con una part¨ªcula elemental parecida al electr¨®n (el mu¨®n o el tau), nacen con ella o se transmutan en ella. En la identidad de la part¨ªcula con la que est¨¢n asociados consiste el sabor de un neutrino.

Los neutrinos que hoy nos ocupan proceden de las capas altas de la atm¨®sfera terrestre. Hasta all¨ª llegan, probablemente procedentes de lejanas explosiones estelares, diversas part¨ªculas llamadas rayos c¨®smicos, que son mayoritariamente protones. Al chocar con el ox¨ªgeno y nitr¨®geno del aire, los protones producen una variedad de otras part¨ªculas, casi todas las cuales se absorben en el aire o en la tierra. Pero algunas de las part¨ªculas producidas son neutrinos, y los neutrinos son algo inconcebiblemente penetrante: para absorber la mitad de los as¨ª producidos har¨ªa falta tanta tierra como cabria de aqu¨ª al Sol. Nuestro modesto planeta intercepta una fracci¨®n m¨ªnima de los neutrinos que lo atraviesan.

Ojos electr¨®nicos

Mucho menor a¨²n, pero decisiva, es la fracci¨®n interceptada por el peque?o detector que nos ocupa. El detector Super-Kamiokande es un gigantesco barril de agua con paredes cubiertas de grandes ojos electr¨®nicos, llamados fotomultiplicadores.Los neutrinos no tienen carga el¨¦ctrica y atraviesan el agua sin dejar traza. Pero algunos chocan con los electrones, protones o neutrones que constituyen el agua y producen un chorro de part¨ªculas cargadas, que retroceden en la direcci¨®n en que iba el neutrino incidente. Entre estos productos se puede encontrar uno, por ejemplo un electr¨®n, que denuncia el sabor del neutrino incidente: viajando en el agua produce una luz caracter¨ªstica, que los fotomultiplicadores detectan. As¨ª, el detector es capaz de determinar el sabor de los neutrinos y en qu¨¦ direcci¨®n llegan.

Imaginemos dos trenes id¨¦nticos programados para avanzar al un¨ªsono sobre dos v¨ªas iguales y paralelas. A cada lado, los trenes tienen una fila continua de ventanas, pero ¨¦stas, una s¨ª y otra no, tienen alternativamente la cortinilla bajada. Un observador delante de quien pasaran r¨¢pidamente los trenes ver¨ªa a trav¨¦s de las ventanas abiertas lo que hay del otro lado de ambos, casi como si los trenes fuesen transparentes. Pero olvid¨¦ decir que el constructor se hab¨ªa ahorrado algunos materiales en uno de los trenes, que era consecuentemente m¨¢s ligero que el otro y avanzaba algo m¨¢s deprisa. Cuando un tren le saca al otro una ventana de ventaja, los trenes est¨¢n desfasados: cada ventana cerrada de uno tapa una abierta del otro y un observador no ver¨ªa nada a trav¨¦s, como si los trenes fueran opacos.

M¨¢s tarde y m¨¢s lejos, un tren le saca al otro una ventaja de dos ventanas y vuelve a poderse ver a trav¨¦s de ellos. Y as¨ª sucesivamente: la apariencia de los trenes cambia con una cierta frecuencia, a medida que avanzan.

Con los neutrinos pasa lo mismo, o al menos eso concluyen los f¨ªsicos de Super-Kamiokande. Un neutrino que se produce en la atm¨®sfera con un determinado sabor puede consistir, como nuestra pareja de trenes, en dos componentes de masa distinta. Ambos componentes nacen con la misma energ¨ªa, pero el m¨¢s ligero avanza algo m¨¢s r¨¢pido. Lo que en el caso de los trenes era la alineaci¨®n de las ventanas, en el caso del neutrino es el sabor.

Tras recorrer un cierto camino, los componentes del neutrino se han desfasado y ¨¦ste aparece con un sabor nuevo. Lo que sucede en la pr¨¢ctica es que los neutrinos que vienen de m¨¢s cerca -de la atm¨®sfera por encima de Jap¨®n- llegan a la mina con las fracciones esperadas de cada sabor. Sin embargo, a medida que vienen de m¨¢s y m¨¢s lejos -hasta que lo hacen desde la atm¨®sfera de las ant¨ªpodas de Jap¨®n- los neutrinos de uno de los sabores empiezan a no llegar en la cantidad esperada: habr¨ªan cambiado de sabor por el camino.

Los firmantes de este descubrimiento han hecho todas las pruebas de calibraci¨®n y consistencia imaginables, la cantidad de datos es suficiente... y aun as¨ª el resultado tiene limitaciones. Una de ellas, en la analog¨ªa de los trenes, es que la ventaja observada es s¨®lo de una ventana, no una, luego dos, tres, etc¨¦tera, lo cual ser¨ªa m¨¢s convincente.

Ahora en Canad¨¢

El tama?o de la Tierra es insuficiente como para que estos neutrinos que, a lo m¨¢s, viajan desde las ant¨ªpodas, muestren oscilaciones completas: no s¨®lo cambiando de un sabor a otro, sino continuando hasta recuperar su sabor inicial, para empezar de nuevo. La situaci¨®n se aclarar¨¢, probablemente, cuando los datos se contrasten con los de un experimento competidor: el Sudbury Neutrino Observatory (SNO), que ha comenzado a funcionar recientemente en Canad¨¢.La miga de todo el asunto es que, para poder cambiar de sabor, los componentes del neutrino han de tener masas distintas. Al menos uno de ellos ha de tener una masa que no es nula (el experimento mide la diferencia de los cuadrados de las masas). ?se es el anunciado descubrimiento: los neutrinos tendr¨ªan masa. Creemos que algunas part¨ªculas, como las de luz (fotones), no tienen masa. Entre las que s¨ª la tienen, el r¨¦cord de ligereza lo ostentaba hasta hoy el electr¨®n. El r¨¦cord habr¨ªa sido superado: las masas de neutrinos que explicar¨ªan los cambios de sabor podr¨ªan ser mil millones de veces m¨¢s peque?as que la masa del electr¨®n. ?Y qu¨¦?

El universo parece tener mucha m¨¢s masa de la que somos capaces de observar en forma de estrellas, planetas y gas. Neutrinos con masa podr¨ªan contribuir a esta misteriosa masa oscura del universo. Pero, contrariamente a lo que algunos de mis colegas han dejado entender a los medios de comunicaci¨®n, para que los resultados de Super-Kamiokande tengan consecuencias cosmol¨®gicas decisivas, hay que interpretarlos con considerable optimismo: dos masas relativamente grandes tendr¨ªan una diferencia diminuta, algo muy cogido por los pelos. ?Por qu¨¦ las masas de las part¨ªculas son lo que son? La verdad es que no tenemos ni la menor idea. En el esclarecimiento de este misterio, la medida de las masas de algunas de las m¨¢s misteriosas part¨ªculas -los neutrinos- podr¨ªa ser un paso fundamental, dar la clave definitiva. Pero esta clave a¨²n no la hemos logrado descifrar.