Neutrinos: Observan cómo cambian de tipo

Los investigadores del INFN y CERN han efectuado la primera observación directa del instante en que un neutrino muónico se convierte en un neutrino tauónico. Las partículas, generadas en el CERN y lanzadas a través de nuestro planeta, recorrieron  730 kilómetros antes de ser detectadas por el experimento OPERA del laboratorio Gran Sasso del INFN en Italia. Si bien existían evidencias indirectas de que los neutrinos oscilaban entre una y otra forma, esta es la primera vez que se logra observar el fenómeno, cuya duración es de solo unas decenas de billonésimas de segundo, “en directo”. ¿Qué consecuencias tendrá este evento en el futuro de la física?

Los neutrinos,  partículas subatómicas de tipo fermiónico de carga neutra y espín ½, fueron propuestos en 1930 por Wolfgang Pauli, como un mecanismo para compensar la aparente pérdida de energía y momento lineal que tenía lugar durante la desintegración de los neutrones. Su interacción con el resto de las partículas que componen el universo es tan débil que pueden atravesarla sin sufrir prácticamente ningún tipo de perturbación, ya que no se ven afectados por las fuerzas electromagnética o nuclear fuerte, y solamente son influidos por la fuerza nuclear débil y la gravitatoria. Los físicos saben que esta partícula tiene masa y que es muy pequeña -unas 200.000 veces menor a la del electrón- pero su valor exacto aún no se ha logrado determinar. Esta no es una cuestión menor, ya que la masa del neutrino es fundamental y permitiría elaborar un modelo que incluya la posibilidad de esta partícula oscile entre los tres tipos de neutrinos existentes. Este fenómeno se conoce como oscilación de neutrinos.

Esta partícula, por sus extrañas características, siempre ha intrigado a los físicos. Todo comenzó en la década de 1960, cuando el ganador del Premio Nobel Ray Davis observó que la Tierra recibía muchos menos neutrinos procedentes del Sol de los que debería. En efecto, en esa época los científicos ya disponían de un modelo del funcionamiento del Sol lo suficientemente bueno como para explicar todos los fenómenos relacionados con nuestra estrella, pero difería notablemente de la realidad en este aspecto. Sólo había dos alternativas: o el modelo era incorrecto, o algo les ocurría a los neutrinos durante su viaje a la Tierra. Dada la poca -casi nula- densidad de materia existente en el espacio, y la baja interacción de los neutrinos con ella, era muy difícil que esa fuese la causa de la divergencia entre la teoría y la realidad. En 1969 dos físicos teóricos, Bruno Pontecorvo y Vladimir Gribov, propusieron una solución al enigma: quizás había más de una forma de neutrino, y estas partículas cambiaban de una a otra forma constantemente -a través de la oscilación de neutrinos- dando como resultado este aparente déficit.

Durante 50 años los científicos han buscado la forma de observar un neutrino en el momento en que se produce este cambio. A pesar de que todos los modelos predecían que esto ocurría, los físicos querían “ver” el acontecimiento. Con este fin, se diseñaron varios experimentos y se logró ver como un neutrino muón -una de las variedades existentes- desaparecía. Esto confirmaba la hipótesis de la oscilación propuesta, pero no terminaba de satisfacer la curiosidad de los especialistas. Así fue como físicos del CERN (European Organization for Nuclear Research) junto con colegas del INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) pusieron manos a la obra y concibieron un ambicioso proyecto. Un rayo de neutrinos tau -otra de las variedades posibles- sería generado en el CERN y enviado en linea recta a través de nuestro planeta a lo largo de más de 700 kilómetros de tierra y rocas (siguiendo un camino que pasa hasta 11 kilómetros por debajo de la superficie terrestre) hasta un detector de partículas instalado en el INFN. Allí debía observarse la oscilación entre uno y otro estado predicha por Pontecorvo y Gribov. Dicho experimento se realizó en las ultimas horas, y fue un éxito: por primera vez en la historia, los físicos registraron el instante en que un neutrino tauónico se ha desintegrado en un tauón (leptón tau). Esta partícula, luego de recorrer algunos cientos de micrómetros en unas billonésimas de segundo ha impactado contra un átomo del detector del experimento OPERA, produciendo un bosón W que a su vez se ha desintegrado en tres partículas cargadas que -finalmente- también fueron registradas por el detector. Todo esto ocurrió en las instalaciones del laboratorio subterráneo de Gran Sasso, en el norte de Italia.

¿Qué importancia que tiene este evento para la física? Mucha. Si bien se sabía que los neutrinos eran capaces de oscilar de esta manera, y algunos experimentos anteriores habían demostrado que esto ocurría realmente, nunca se habían podido observar el fenómeno “en directo”. Además, los especialistas aseguran que este resultado los ayudará a esclarecer el misterio de la denominada “materia oscura”, una sustancia que constituye aproximadamente un cuarto del Universo. Por su parte, James Gillies, portavoz del CERN, ha dicho que “esto es realmente emocionante, y demuestra que hay algo más allá del Modelo Estándar”, lo que no es poco.