Oscilaciones de neutrinos

La energ¨ªa radiada por el Sol en forma de ondas electromagn¨¦ticas, que percibimos en forma de luz y calor, tiene su origen en las reacciones de fusi¨®n nuclear que ocurren en su interior. En ellas tambi¨¦n se producen neutrinos electr¨®nicos. Hasta la llegada de SNO [Sudbury Neutrino Observatory, en Canad¨¢] los detectores de neutrinos solares eran capaces de registrar solamente este tipo de neutrinos y casi todos encontraban que a la Tierra llegaban menos de los esperados de acuerdo con la teor¨ªa generalmente aceptada del funcionamiento del Sol.

Pero como los experimentos con neutrinos tienen la merecida reputaci¨®n de ser dif¨ªciles y la teor¨ªa solar no menos, la discrepancia era considerada con escepticismo. Todo cambi¨® en 1998 cuando la colaboraci¨®n japonesa-estadounidense SuperKamiokande (SK), en Jap¨®n, concluy¨® de manera clara que los neutrinos de una determinada clase pod¨ªan transformase, espont¨¢neamente, en otros de otra clase distinta, un fen¨®meno cu¨¢ntico de gran inter¨¦s en s¨ª mismo que solamente puede ocurrir si los neutrinos tienen masa finita, y no cero como se hab¨ªa supuesto hasta entonces.

En el experimento K2K participan dos grupos espa?oles, de Valencia y de Barcelona

Pero el problema no result¨® ser f¨¢cil de elucidar. Los investigadores de SK estudiaron los neutrinos producidos en la atm¨®sfera por los rayos c¨®smicos (part¨ªculas que nos llegan del espacio) que son tanto del tipo electr¨®nico como mu¨®nico (en proporci¨®n de uno a dos) y tienen una energ¨ªa muy superior a los producidos en el Sol. A esta energ¨ªa SK detecta ambos tipos, a diferencia de lo que ocurre a la de los solares, para los que s¨®lo detecta los de tipo electr¨®nico. Los peculiares neutrinos llegan a SK desde todas las direcciones, tanto los producidos en la atm¨®sfera por encima de Kamioka a unos 20 kil¨®metros de altura, como los producidos en las ant¨ªpodas a 12.000 kil¨®metros, que entran en el detector desde abajo.

?Qu¨¦ se encontr¨® en SK? Pues que los neutrinos mu¨®nicos que vienen de lejos son menos de los esperados en ausencia de oscilaci¨®n, es decir parecen oscilar, mientras que ello no ocurre para los neutrinos electr¨®nicos, es decir estos no oscilan. Sin embargo, los neutrinos electr¨®nicos producidos en el Sol s¨ª que oscilan antes de llegar a la Tierra. La explicaci¨®n del puzzle es que la oscilaci¨®n depende entre otras cosas de la energ¨ªa, de la distancia, del tipo de neutrino y, en el caso de los electr¨®nicos, de la densidad de la materia por donde pasan.

Con la llegada de los datos de SNO el rompecabezas de los neutrinos solares est¨¢ casi totalmente resuelto, y a su soluci¨®n han contribuido de manera destacada f¨ªsicos de la Universidad de Valencia, ahora en EE.UU. Los resultados de SK se han comprobado recientemente de manera controlada con el experimento K2K en el que participan dos grupos espa?oles, de la Universidad de Valencia/IFIC y de la Universidad Aut¨®noma de Barcelona/IFAE. Para este experimento se env¨ªa un haz de neutrinos mu¨®nicos desde el laboratorio KEK situado al norte de Tokio, al detector SuperKamiokande, a 250 kil¨®metros de distancia.

Antes de iniciar su viaje los neutrinos pasan por un detector cercano situado en el propio laboratorio. Con los datos tomados hasta ahora se esperaba que en SK se registrasen 151 interacciones en ausencia de oscilaci¨®n, mientras que las observadas han sido solamente 108. La disminuci¨®n corrobora un resultado preliminar anterior (con menos registros) y concuerda con los par¨¢metros de la oscilaci¨®n que se desprenden de los resultados de neutrinos atmosf¨¦ricos. Adem¨¢s, por primera vez, se observa claramente que la desaparici¨®n de los neutrinos ocurre principalmente en una regi¨®n de energ¨ªa determinada, un fen¨®meno caracter¨ªstico de la oscilaci¨®n. Las oscilaciones tienen muchas implicaciones tanto en f¨ªsica de part¨ªculas como en astrof¨ªsica y cosmolog¨ªa. Desde 1998 hasta ahora el avance ha sido enorme pero quedan muchos cabos sueltos por atar con los esquivos neutrinos.

Enrique Fern¨¢ndez es catedr¨¢tico de la Universidad Aut¨®noma de Barcelona y director del Instituto de F¨ªsica de Altas Energ¨ªas (IFAE).