Ignacio Mártil

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

El Premio Nobel de Física de este año ha sido concedido al científico japonés Takaaki Kajita y al canadiense Arthur McDonald por sus estudios fundamentales sobre las propiedades de los neutrinos. A continuación describiré muy resumidamente las razones por las que la Real Academia de Ciencias de Suecia se lo ha concedido a ambos. El lector interesado en conocer con más detalle los argumentos, lo puede consultar en este enlace, donde encontrará -en inglés- un artículo publicado por la Academia sueca en el que se hace una descripción más detallada del trabajo realizado por ambos científicos.

1. ¿Qué son los neutrinos y cuáles son sus propiedades?

Los neutrinos son unas partículas elementales cuyas propiedades los hacen realmente singulares. Nuestro mundo está literalmente repleto de neutrinos. Miles de millones de neutrinos atraviesan nuestros cuerpos cada instante, aunque no podemos verlos ni sentirlos dado que tienen una masa extraordinariamente pequeña y no tienen carga eléctrica, por lo que apenas interaccionan con la materia ordinaria de la que estamos hechos los seres vivos. Algunos fueron creados en el comienzo del universo, en el Big Bang, otros se crean continuamente en diversos procesos que tienen lugar en el interior de la Tierra, en la explosión de supernovas, en la muerte de estrellas supermasivas, etc. La mayoría de los que llegan a la Tierra se originan en las reacciones nucleares que ocurren en el interior del Sol.

El neutrino es la segunda partícula más abundante en el Universo, sólo superado por el fotón, la partícula responsable de la luz. Sin embargo, durante mucho tiempo no se supo de su existencia. Fue predicha teóricamente en 1930 por Wolfang Pauli, pero llegó incluso a dudar de su existencia; se dice que a propósito de su teoría llegó a comentar: "he hecho una cosa terrible, he postulado la existencia de una partícula que no puede ser detectada”. Poco tiempo después, el físico italiano Enrico Fermi desarrolló una teoría que contemplaba la existencia de esa partícula, a la que se denominó desde entonces neutrino.

Hizo falta un cuarto de siglo para que el neutrino fuera descubierto experimentalmente. Esto sucedió en la década de los años 50 del siglo pasado, cuando los neutrinos empezaron a producirse en grandes cantidades en los reactores nucleares que habían comenzado a funcionar en aquellos tiempos. En junio de 1956, dos físicos estadounidenses, Frederick Reines y Clyde Cowan enviaron un telegrama a Wolfgang Pauli indicándole que los neutrinos habían dejado huellas en sus detectores. Este hallazgo mostró que el fantasmal neutrino (se le llegó a conocer como la partícula Poltergeist) era una partícula real.

2. ¿Cuáles son las razones para la concesión del Premio Nobel?

El premio Nobel reconoce un descubrimiento que resuelve un rompecabezas originado por los neutrinos que ha tenido desconcertada a la comunidad científica durante mucho tiempo. En efecto, desde la década de 1960, los científicos habían calculado teóricamente el número de neutrinos que se crean en las reacciones nucleares que ocurren en el interior del Sol, pero al realizar mediciones en la Tierra, cerca del 60% de la cantidad calculada no aparecía en los detectores. Tras innumerables suposiciones, se llegó a postular que los neutrinos cambian de identidad durante su movimiento (en la terminología científica, sufren una oscilación). Queda fuera del alcance de este artículo detallar las razones de esta mutación, que sólo puede explicarse acudiendo a conceptos fundamentales de la Mecánica Cuántica.

Una explicación muy simplificada del fenómeno es la siguiente: de acuerdo con el Modelo Estándar de física de partículas, hay tres tipos de neutrinos: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico. En el Sol únicamente se producen neutrinos electrónicos; estos, en su viaje a la Tierra, sufren la mutación a neutrinos muónicos y tauónicos, de manera que en los detectores instalados en la Tierra sólo se detecta un tercio de los neutrinos electrónicos “fabricados” por el Sol, correspondiendo el resto a los neutrinos de los otros dos tipos. Análogamente sucede con los neutrinos producidos por otras fuentes, como las reacciones que ocurren por la interacción de la radiación cósmica con la atmósfera, en las que se crean neutrinos que también experimentan ese cambio.

Las tres identidades de los neutrinos: tauónico (izquierda), electrónico (centro) y muónico (derecha)

Las especulaciones sobre el cambio de identidad de los neutrinos trajeron de cabeza a la comunidad científica hasta que se pudieron construir grandes detectores donde poder realizar medidas muy precisas de las propiedades de estas partículas. En efecto, dos grandes instalaciones científicas han perseguido a los neutrinos durante años. Por una parte, el detector “Super-Kamiokande”, instalado en el interior de en una mina subterránea de zinc a 250 kilómetros al noroeste de Tokio, detector que comenzó a funcionar en 1996. Un par de años después, en 1998, Takaaki Kajita presentó un descubrimiento mediante el que demostraba que los neutrinos provenientes de la radiación cósmica parecen someterse al cambio indicado. Por otra parte y de manera totalmente independiente, el detector “Sudbury Neutrino Observatory” fue construido en el interior de una mina de níquel en Ontario, comenzando sus observaciones en 1999. En 2001, el grupo de investigación dirigido por Arthur B. McDonald demostró a su vez que los neutrinos provenientes del Sol también cambian de identidad.

De este modo y por separado, ambos equipos científicos pudieron esclarecer la naturaleza camaleónica del neutrino, el descubrimiento que ha merecido ahora el Premio Nobel de Física de este año. Una conclusión trascendental de ambos experimentos es que para que los neutrinos puedan realizar esa transmutación de un tipo en alguno de los otros dos, deben tener masa, al contrario de lo que se creyó durante muchos años. Tal y como dice la Academia sueca en la justificación de la concesión del premio, este hallazgo “Es de importancia revolucionaria para la física de partículas y para nuestra comprensión del universo”

Ambos detectores son instalaciones científicas enormes, cuyo funcionamiento sólo es posible gracias a la colaboración de multitud de científicos, ingenieros, informáticos, técnicos de diversas profesiones, etc. Como con muchos otros descubrimientos que afectan a la comprensión de las propiedades esenciales de la materia, de que esta hecho el universo y de que estamos hechos nosotros, la utilidad de este descubrimiento no es directa, evidente ni inmediata. Pero no cabe la menor duda de que encontrará infinidad de campos de utilidad. No hay más que recordar que la WWW nació en otro detector de partículas, el “Large Hadron Collider”, acerca de lo que escribí recientemente en este mismo blog.