Neutrinos ¿Más rápidos que la luz?

Un fantasma recorre Europa. Bueno Europa, el mundo, el universo… Vamos, que ya está por doquier. Hablamos de partículas que, como si fueran espectros, atraviesan la materia a placer. Partículas tan difíciles de medir que durante mucho tiempo no fueron más que una suposición. ¿Partículas que pueden viajar más rápido que la luz? Neutrinos.

Pero vayamos por partes. Normalmente siempre que nos hablan de neutrones estos se encuentran empacaditos en su átomo, con sus protones y electrones, pero ¿qué pasaría si este neutrón estuviera aislado? Más allá de la evidente soledad, el neutrón se volvería inestable y tendría una vida media de 15 minutos; 14 minutos y 40,1 segundos para los suizos. Es entonces cuando uno de las subpartículas que forman al neutrón (un quark) cambia, transformándo al neutrón en un protón y escupiendo un electrón en el proceso. Esto se llama desintegración beta. Pero hay un problema (siempre tiene que haber un problema a estas alturas de un post) La ley de conservación de la energía dice que no puedes perderla por el camino durante una reacción, y aquí no salen las cuentas. La energía del neutrón es mayor a la suma de las energías del protón y el electrón.

En busca de la energía perdida.

Diagrama de Feynman de la radiación beta.
Diagrama de Feynman de la radiación beta. El neutrón cambia uno de sus quarks “d” por un “u” obteniendo la configuración de un protón (u, d, u) y emitiendo un antineutrino y un electrón.

Los físicos sabían que algo ocurría, la energía no podía haber desaparecido como las ganas de levantarse los lunes. Pasó un tiempo hasta que un joven Wolfgang Pauli encontró al culpable. ¿Y si la desintegración beta no sólo produce un protón y un electrón? ¿Y si hay algo más? Pauli planteó una partícula sin carga eléctrica (neutra) y sin masa. Una partícula que consumiera ese exceso de energía del neutrón transformándola en movimiento. Esta jugada era arriesgada y Pauli lo sabía. Se estaba sacando de la manga una partícula neutra y sin masa, con lo que o bien no interactuaba con la materia, o bien apenas lo hacía. Dicho de otra forma, una partícula que él creía que no se podría medir jamás.

Encontrándola…

Tuvieron que pasar 26 años hasta que Cowan y Reines confirmaron la existencia de este pequeño fantasma en su “experimento neutrino”.  La ciencia de los neutrinos había despertado.

Un neutrino electrónico cualquiera después de la siesta.
Un neutrino electrónico cualquiera después de la siesta.

Los neutrinos pertenecen al grupo de los leptones (partículas con un spin de ½). Estos leptones a su vez se diferencian en tres generaciones. La primera generación engloba al electrón y al neutrino electrónico (Ve), la segunda al muón y al neutrino muónico (Vµ), y finalmente la tercera al tauón y al neutrino tauónico (Vτ). Estos tres neutrinos tienen la propiedad de transformarse unos en otros durante el recorrido de la partícula. Esto se llama “oscilación de neutrinos” y le valió el premio nobel a Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald, demostrando también que al menos dos de los tipos de neutrinos tenían que tener masa y ser esta diferente entre ellos.

Pero vamos a ver. Hemos dicho que los neutrinos apenas se frenan con la materia, y que directamente no interaccionan con los campos electromagnéticos ni con la fuerza nuclear fuerte. Entonces ¿cómo sabemos todo esto? ¿Cómo se caza a un neutrino?

¿Cómo cazar a un neutrino?

Bien, vamos a aprovecharnos de esas peculiaridades. Imaginemos que somos un fotón viajando en un rayo de luz. Salimos del Sol a la par que un neutrino con el que empezamos una carrera. Nosotros nos movemos a 299.794 km/segundo y él sólo a 299.338km/segundo. Poco a poco le vamos dejando atrás. Estamos muy confiados hasta que, de repente, llegamos a la tierra, hemos entrado en el agua y… nos ocurre algo. Vamos más lento, de repente hemos bajado a 224.844km/segundo, un 75% de la velocidad que teníamos antes. ¿Qué sucede? Bueno ¿Qué más da? Somos el límite de velocidad en el universo nada puede ir más rápido que nosotros, el neutrino puede darse por perdido. Mientras nos decimos estas palabras un brillo azul nos ciega. Hemos perdido la carrera.

Uno de los mayores malentendidos populares de la famosa teoría de la relatividad de Einstein es que “nada puede viajar más rápido que la luz”. Esto es cierto, pero sólo si hablamos de la luz en el vacío. Lo que ha ocurrido en esta carrera es que el fotón ha entrado en un medio y por lo tanto su interacción con la materia lo ralentiza. Por otro lado, como ya hemos dicho, el amigo neutrino es un pasota y avanza sin preocuparse por lo que tiene delante. A efectos prácticos no interacciona y por lo tanto no se ve apenas decelerado al zambullirse. “¿Pero ¿qué era ese brillo azul?” Te estarás preguntando.

El resplandor… azul.

Cono producido durante el vuelo supersónico.
Cono producido durante el vuelo supersónico.

Utilicemos una analogía. Todos conocemos los típicos aviones que son capaces de volar más rápido que el sonido. Si hacemos memoria recordaremos que, tanto en vídeos como en dibujos animados, cuando estos aviones rompen la barrera del sonido aparece detrás de ellos una especie de cono blanquecino. Esto se debe a que las ondas sonoras que producen al desplazarse van más lento que ellos, por lo que sólo pueden quedarse rezagadas a su paso. Haciéndose más grandes a medida que se alejan del avión.  Dicho de otro modo: es un objeto que va a una velocidad mayor que el tipo de ondas que produce. Cuando superamos la velocidad de la luz en un medio pasa algo parecido.

Frente de onda de la radiación de Cherenkov.
Frente de onda de la radiación de Cherenkov.

En este caso el neutrino va a superar la velocidad de la luz, que es una onda electromagnética, pero el neutrino no produce a su vez ondas electromagnéticas que pueda dejar atrás en su carrera. ¿Cómo se resuelve esto? En ocasiones un neutrino puede interactuar con la materia, no es frecuente pero ocurre… En esta interacción el neutrino genera un electrón o un muón que se desplaza a velocidades cercanas a las de la luz en el vacío. ¡Ajá! Ese electrón sí está cargado y por lo tanto puede generar ondas electromagnéticas cuando se desplaza a través de un medio como el agua.

Cómo en el caso de los aviones supersónicos que viajan más rápido que las ondas que producen; estos electrones harán lo mismo. Las ondas electromagnéticas se irán quedando rezagadas, comprimiendose a la vanguardia del movimiento aumentando así la llamada “frecuencia de onda“, situándose en los valores que nosotros llamamos azul y ultravioleta.

Haciendo acopio:

Radiación de Cherenkov en un reactor nuclear.
Radiación de Cherenkov en un reactor nuclear. Fotografía de “Argonne National Laboratory”

La radiación de Cherenkov es la luz azul y ultravioleta emitida por una partícula cargada eléctricamente que se mueve a través de un medio polarizable más rápido que la velocidad de la luz en ese mismo medio (tomo aire) ¡Y los neutrinos pueden producirla! Bueno, y no sólo los neutrinos, el azul de los rayos, el brillo de los reactores nucleares cuando emiten electrones a través de su líquido de refrigeración… incluso se ha descrito radiación de Cherenkov en nuestros ojos, cuando en una explosión eléctrica los electrones cruzan acelerados nuestro humor vítreo. Esta radiación está por doquier, y su descubrimiento le granjeó al señor Cherenkov un premio nobel.

Entonces ya sabemos que debemos de buscar para encontrar a estas extrañas criaturas, pero ¿Dónde debemos buscarlos?

¿Qué hace un neutrino como tú en un sitio como este?

Pues cada segundo la tierra es atravesada por 65.000 millones de neutrinos solares por centímetro cuadrado. Así que el problema no es donde encontrar neutrinos, es dónde no encontrar otras partículas que nos confundan.

Neutrinos Nube de Oort y cinturón de Kuiper.
Nube de Oort y cinturón de Kuiper.

La respuesta es brillante “bajo tierra”. Muy al fondo, a profundidades donde otras partículas no son capaces de llegar, donde sólo el neutrino puede aparecer. A mí me sigue maravillando la ironía de enterrarse para poder mirar el cielo.

En cuanto a la profundidad, podemos cavar con ganas. No hay peligro de detener al neutrino. Por decirlo con datos, necesitaríamos un bloque de plomo de 1 año luz de espesor para detener a un 50% de los neutrinos que incidan en él; eso es la distancia entre el Sol y el límite de nuestro sistema solar, en la nube de Oort. Así que tranquilos, el neutrino llegará.

Construyendo la trampa marca ACME.

Para el siguiente paso necesitamos elegir un material donde el electrón producido por nuestro neutrino sea capaz de viajar más rápido que la luz en el vacío.  La verdad es que al electrón le daría igual que cogiéramos otros materiales, pero no a nuestros detectores. Necesitamos que la radiación de Cherenkov pueda viajar a gusto para que la podamos detectar. Una buena idea sería agua, es barata y bastante permeable a la radiación de Cherenkov.

Por ahora son cosas que todos tenemos en nuestra casa: agua y suelo, cualquier día nos montan un detector de neutrinos en Bricomanía. Los siguientes materiales ya se vuelven algo más exclusivos. Necesitamos algo que detecte esa radiación por pequeña que sea, que la mida y que nos avise. Ese aparato se llama fotomultiplicador y vamos a necesitar comprar una buena cantidad y bien grandes, así que id llamando al amigo de la furgoneta (acabo de entender para qué tenía Feynman la suya).

Ya está casi todo listo, sólo queda ultimar un pequeño detalle, el tamaño. Digamos que se nos sale un poco de presupuesto montar un animalito de estos, me explico. Es cierto que haber hay neutrinos para dar y tomar, pero muy pocos de los que pasen por nuestra piscina subterránea van a generar el electrón que necesitamos. Es cuestión de estadística. Una opción es esperar… mucho, mucho tiempo. Tanto que no se vuelve nada práctico. La otra es hacer nuestra piscina de neutrinos más grande, mucho más grande. ¿Cuánto? Veamos las características de los más potentes detectores de neutrinos que están funcionando ahora mismo y así presupuestamos (no apto para gente con envidia de pene y otras invenciones psicoanalíticas).

Catálogo de detectores de neutrinos.

SUPER-KAMIOKANDE

Estructura del Super-K. Imagen de “Measurement of atmospheric neutrino oscillation parameters by Super-Kamiokande I”

Apodado Super-K, este detector encontró por primera vez indicios de la oscilación de neutrinos. Si queremos hacerle una visita tendremos que ir a la mina Mozumi, en Japón, y descender 1km. Allí nos encontraremos un tanque cilíndrico de metal de 41,4 metros de alto (más que una ballena azul) por 39,9 metros de diámetro. Dentro de él se encuentran 50.000 toneladas de aguaultra pura”. Dentro de este hay un segundo cilindro formando así dos cámaras detectoras. En cuanto a fotomultiplicadores, estamos hablando de más de 11.000 de 50 cm de diámetro cada uno.

El Super-K sustituyó al Kamiokande y ha pasado por muchas actualizaciones, pero se está hablando de un cambio mayor que los anteriores. El Hyper-Kamiokande ha sido diseñado con un tamaño diez veces mayor (más alto que el Empire State) y se calcula que estará operativo para 2025.

SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY (SON)

Neutrinos Esfera exterior del SON
Esfera exterior del SON

El SON fue el primer detector en encontrar neutrinos solares. En este caso tendremos que bajar a 1,5 km de profundidad, pero es más pequeño. Dando medidas, se trata de una esfera acrílica de 6 metros de radio, más de 9.000 fotomultiplicadores y 1.000 toneladas de agua pesada. El agua pesada está formada por dos átomos de oxígeno y un átomo de deuterio (isótopo del hidrógeno con un neutrón extra) Este fluido lo hace especialmente útil para poder medir directamente las oscilaciones.

ICE CUBE

Llegamos al más espectacular, el ICE CUBE. Alguien pensó una vez “¿Para qué construir tanques de agua tan grandes bajo tierra cuando podemos perforar el hielo de la Antártida y meter ristras de fotomultiplicadores?”

Ice Cube. Imagen de "Nasa-verve - IceCube Science Team - Francis Halzen, Department of Physics, University of Wisconsin"
Ice Cube. Imagen de “Nasa-verve – IceCube Science Team – Francis Halzen, Department of Physics, University of Wisconsin”

La idea se hizo realidad en 2011. Las perforaciones fueron hechas en una superficie de 1km de diámetro con taladros de agua caliente y cada una penetra entre 1.450 y 2.450km de hielo. Más de 5.000 fotomultiplicadores fueron repartidos a lo largo de cuerdas y colocados dentro de tubos, a su vez dentro de los 86 agujeros en el hielo.  El IceCube se especializa en detectar neutrinos muónicos que dejan rastros con direcciones muy definidas, permitiendo no sólo medir su energía, sino localizar su procedencia aproximada en el cosmos.

Estos detectores prometen grandes logros, entre ellos la posibilidad de hacer un mapa del cosmos donde podamos localizar las principales fuentes de emisión de neutrinos. Mejorando nuestra comprensión de las supernovas, los quásares y otros representantes del bestiario galáctico que nos está esperando ahí fuera. Incluso se plantea la posibilidad de utilizar esta partícula para comunicarse, permitiendo que las ondas con la información pertinente atraviesen la tierra en línea recta, reduciendo los tiempos de latencia. Pero bueno, todo esto, aunque posible, es todavía ciencia ficción; como los propósitos de año nuevo.

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Agradecimientos a @MientrasEnFisic y a @Txuben.

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