Hans Bethe, el Sol y los neutrinos

E l gran f¨ªsico Hans Bethe muri¨® el pasado 6 de marzo. Gracias a su longevidad (Bethe naci¨® en 1906 en Estrasburgo) pudo asistir a la comprobaci¨®n de sus ideas sobre la producci¨®n de energ¨ªa por las estrellas, comprobaci¨®n realizada en los ¨²ltimos a?os gracias a las observaciones de neutrinos procedentes del centro del Sol.

El problema de la energ¨ªa que nos llega de las estrellas, en particular de la que tenemos m¨¢s cerca, el Sol, tiene una larga historia ya que su aparici¨®n es simult¨¢nea a la de la geolog¨ªa, a principios del siglo XIX, cuando el brit¨¢nico Charles Lyell realiz¨®, entre otras cosas, estudios de los tiempos que tardan en formarse ciertas rocas y en rellenarse los sedimentos. De estos estudios los ge¨®logos llegaron a la conclusi¨®n de que la Tierra tiene que ser enormemente vieja; desde luego mucho m¨¢s vieja que los 6.000 a?os de la tradici¨®n b¨ªblica.

El f¨ªsico resolvi¨® el rompecabezas de la energ¨ªa solar y recibi¨® el Nobel en 1967

De las detalladas observaciones geol¨®gicas llevadas a cabo por Lyell se deduc¨ªa que la edad de la Tierra deb¨ªa ser de miles de millones de a?os.

El problema que ¨¦sto planteaba es que la edad del Sol, deducida de los conocimientos de f¨ªsica y qu¨ªmica de la ¨¦poca, resultaba ser miles o incluso millones de veces inferior a la edad de la Tierra que indicaba la geolog¨ªa. Ninguna reacci¨®n qu¨ªmica conocida pod¨ªa explicar la energ¨ªa que nos llega del Sol, o de otras estrellas. La ¨²nica fuente de dicha energ¨ªa imaginable en el siglo XIX, era la de la contracci¨®n gravitatoria de la inmensa masa gaseosa solar, lo que efectivamente pod¨ªa calentar el Sol a los cientos de miles de grados a los que est¨¢ este cuerpo. Pero esta contracci¨®n dura muy poco tiempo (a escala c¨®smica): como mucho millones de a?os, no miles de millones. Esta contradicci¨®n dio lugar a acerbas discusiones entre ge¨®logos y f¨ªsicos, que no aceptaban las estimaciones de fechas de aquellos.

Pero la geolog¨ªa estaba totalmente acertada: lo que fallaba era la f¨ªsica. En efecto, la energ¨ªa que el Sol nos env¨ªa no se debe a su contracci¨®n gravitatoria; el Sol no se ha contra¨ªdo apreciablemente en los ¨²ltimos miles de millones de a?os. La energ¨ªa del Sol, o la de cualquier otra estrella, proviene de reacciones nucleares en su interior, algo totalmente inconcebible para un f¨ªsico del siglo XIX.

La comprensi¨®n de c¨®mo genera su energ¨ªa el Sol comenz¨® cuando, hace poco m¨¢s de un siglo, los franceses Antoine Henri Becquerel y Pierre y Marie Curie descubrieron el fen¨®meno de la radiactividad natural y, con ¨¦l, una de las manifestaciones de la energ¨ªa nuclear, que genera millones de veces m¨¢s energ¨ªa que cualquier reacci¨®n qu¨ªmica. En 1905, Einstein -como subproducto de la teor¨ªa de la relatividad- encontr¨® la que, tal vez, sea la ecuaci¨®n m¨¢s famosa de la f¨ªsica: E=mc2. De esta ecuaci¨®n se sigue que el Sol (o las sustancias radiactivas) pueden producir la inmensa energ¨ªa que generan aniquilando una ¨ªnfima parte de su masa.

Aunque, en principio, esto indica de d¨®nde procede la energ¨ªa que nos env¨ªa el Sol, quedaban por encontrar los detalles, nada triviales, del mecanismo que se da en el interior del astro rey. El mecanismo m¨¢s sencillo, la fusi¨®n de cuatro ¨¢tomos de hidr¨®geno (H) para formar uno de helio (He), H+H+H+H -> He+Energia no era suficiente para explicar el ritmo de la producci¨®n de energ¨ªa solar. Hubo que esperar a 1938, cuando Bethe se dio cuenta de que el carbono (que existe en peque?as cantidades en el interior del Sol) puede participar en reacciones nucleares intermedias como catalizador, esto es, sin gastarse, lo que las acelera. A la reacci¨®n propuesta por Bethe se la conoce como el ciclo del carbono.

Sin duda, la explicaci¨®n de Bethe resolv¨ªa, en principio, el rompecabezas de la energ¨ªa que produce el Sol y, por ello recibi¨® el Premio Nobel en 1967. Pero los cient¨ªficos somos quisquillosos, y quedaba la cuesti¨®n de c¨®mo comprobar experimentalmente, de forma directa, que las ideas de Bethe eran ciertas. Esto no es f¨¢cil: ?C¨®mo obtener informaci¨®n experimental del centro del Sol? Pues resulta que hay un m¨¦todo. En las reacciones que hemos mencionado se generan, adem¨¢s de energ¨ªa, neutrinos y, en particular, el ciclo del carbono de Bethe produce m¨¢s neutrinos que la fusi¨®n ordinaria. Los neutrinos interaccionan tan poco que pueden salir del centro del Sol y llegar a la Tierra: cada segundo nos atraviesan, a cada uno de nosotros, unos diez billones de neutrinos provenientes del Sol. Por supuesto, nada es gratis. El que los neutrinos interaccionen poco les permite atravesar el Sol, pero tambi¨¦n los hace muy dif¨ªciles de detectar: se requieren aparatos gigantescos.

Esto no arredr¨® al f¨ªsico estadounidense Raymond Davis que construy¨®, en 1965, un detector con casi medio mill¨®n de kilos de percloretileno. Se esperaba que los neutrinos produjeran se?ales una o dos veces al a?o (transmutando un ¨¢tomo de cloro en argon). Cada varios meses Davis pasaba el material por detectores de radiactividad, con la esperanza de detectar alg¨²n ¨¢tomo de argon radiactivo y, por tanto, el rastro de la interacci¨®n de alg¨²n neutrino: el experimento era sin duda mucho m¨¢s dif¨ªcil que la tradicional b¨²squeda de la aguja en un pajar.

Durante mucho tiempo el experimento funcion¨® sin ¨¦xito aparente. Las se?ales de neutrinos tardaron en llegar y, cuando llegaron (a partir de 1968), resultaron mucho menos frecuentes de lo que se esperaba: al menos un factor dos, tal vez un factor tres. Pero el detector de Davis era dif¨ªcil de controlar y, adem¨¢s, el c¨¢lculo de los neutrinos que produce el Sol debe hacerse con complicados modelos astrof¨ªsicos que describen el funcionamiento preciso de su interior profundo; en particular el modelo del ciclo del carbono de Bethe. No estaba claro por qu¨¦ Davis encontraba tan pocos neutrinos: si fallaba el detector, si estaban equivocadas nuestra ideas acerca del interior del Sol o si hab¨ªa una tercera explicaci¨®n, como a la postre result¨®.

A finales del siglo pasado, y a principios del actual, con la ayuda de detectores mucho mayores que el de Davis, otros cient¨ªficos han llevado a cabo experimentos con sensitividad muy superior a lade ¨¦ste. Los resultados confirmaron los hallazgos del original de Davis: se detectan muchos menos neutrinos que los que creemos que se producen en el Sol. Tan s¨®lo la mitad de los neutrinos que deber¨ªan llegar se recogen en los detectores.

Despu¨¦s de muchos experimentos y an¨¢lisis te¨®ricos nos hemos convencido de que la explicaci¨®n de esta anomal¨ªa es la sugerida ya en 1968 por Vladimir Gribov y Bruno Pontecorvo. Consiste en tener en cuenta que existen tres tipos distintos de neutrinos, conocidos como neutrino electr¨®nico, neutrino mu¨®nico y neutrino tau¨®nico. En el Sol ¨²nicamente se producen neutrinos de tipo electr¨®nico; y el detector de Davis s¨®lo detectaba neutrinos de este tipo. Sin embargo, es posible demostrar te¨®ricamente que, si los neutrinos tienen una masa muy peque?a, el neutrino electr¨®nico, el que producen las reacciones solares, podr¨ªa desintegrarse, o transmutarse, en neutrinos tipos mu¨®nico o tau¨®nico, que los aparatos utilizados por Davis no son capaces de detectar.

Estos resultados son muy recientes. El misterio de los neutrinos solares, y con ¨¦l el del modelo de funcionamiento del interior del Sol, s¨®lo se resolvi¨® completamente en los ¨²ltimos a?os, gracias al detector SNO (Sudbury Neutrino Observatory), en Canad¨¢. De hecho, el SNO es tan eficaz que nos permite recoger un n¨²mero de neutrinos suficientemente grande como para que ¨¦stos formen una imagen del centro del Sol, igual que la luz nos proporciona una imagen de su superficie.

Las conclusiones de las observaciones del SNO son concluyentes: en el camino entre el Sol y la Tierra, ya sea por oscilaci¨®n o por desintegraci¨®n, se transmutan algo m¨¢s de la mitad de los neutrinos electr¨®nicos en los otros dos tipos de neutrinos. Cuando se tiene esto en cuenta, el n¨²mero de neutrinos producidos en el sol resulta ser el que Bethe hab¨ªa calculado setenta a?os antes.

Francisco J. Yndurain es catedr¨¢tico de F¨ªsica Te¨®rica de la Universidad Aut¨®noma de Madrid.