Dentro de las trampas experimentales que los científicos colocan para los neutrinos fantasmales

Hace setenta años, Los físicos Clyde Cowan y Frederick Reines tomaron un detector de 10 toneladas hecho a medida, lo rodearon con gruesas paredes de plomo y sacos de arena húmedos y lo colocaron cerca de un potente reactor nuclear en la planta de Savannah River en Carolina del Sur. Llamaron al experimento Proyecto Poltergeist, diseñado para atrapar un fantasma.

Más de un cuarto de siglo antes, los físicos se habían preguntado por qué parecía perderse energía durante un proceso radiactivo llamado desintegración beta. Faltaba algo y no había ninguna física conocida que lo explicara. Luego, en 1930, el físico austriaco Wolfgang Pauli propuso una solución radical: una partícula prácticamente indetectable se llevaba silenciosamente la energía faltante. “He hecho algo terrible”, le dijo Pauli a un amigo. “He postulado una partícula que no se puede detectar”. Llegaría a ser conocido como neutrino. Al no tener casi masa ni carga, estas partículas pueden atravesar la Tierra y todo lo que hay en ella, incluidos nuestros cuerpos, prácticamente sin obstáculos.

El enorme dispositivo que Cowan y Reines desplegaron a principios de 1956 tenía como objetivo encontrar lo que Pauli pensaba que era imposible. Ese junio, la pareja de físicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos le envió un telegrama a Pauli: “Estamos felices de informarle que definitivamente hemos detectado neutrinos”.

Luego la atención se centró en una cuestión más amplia. Si las reacciones nucleares producen neutrinos, ¿podríamos usarlos para observar los fuegos artificiales nucleares dentro de las estrellas, incluido el Sol? Esto presentó un gran desafío: ¿Cómo es posible capturar partículas disparadas desde estrellas distantes si estas partículas pueden atravesar casi cualquier cosa sin ser detectadas? La sospecha era que detectar una partícula que rara vez choca con la materia requiere una gran cantidad de materia para que choque. Además, habría que proteger la materia del ruido de otras formas de radiación. Entonces, la respuesta que se les ocurrió a los científicos fue construir algunas de las trampas experimentales más grandes, profundas y exóticas de la historia científica… y luego esperar.

En la década de 1960, Raymond Davis Jr. y sus colegas del Laboratorio Nacional Brookhaven colocaron un tanque a 1,5 kilómetros bajo tierra en la mina Homestake en Dakota del Sur y lo llenaron con casi 400.000 litros de un líquido limpiador a base de cloro llamado percloroetileno. En las raras ocasiones en que un neutrino al pasar chocara contra un núcleo de cloro, se transformaría en una forma radiactiva de argón que podría detectarse y contarse. El experimento, que duraría 25 años, encontró sólo un tercio de la cantidad de neutrinos provenientes del Sol que se había predicho en los modelos teóricos. Esto se conoció como el problema de los neutrinos solares.

Pasaron décadas antes de que se resolviera mediante experimentos aún más masivos. En lo profundo de la mina Kamioka en Japón, Masatoshi Koshiba construyó un tipo diferente de detector llamado Kamiokande, que utilizaba 3 millones de litros de agua ultrapura. En esta configuración, los neutrinos interactúan ocasionalmente con los núcleos atómicos en el agua. La interacción crea un electrón que se mueve tan rápido que genera un destello de lo que se llama luz Cherenkov. Esta luz es captada por detectores.

Kamiokande y Koshiba confirmaron el déficit de Davis, y un segundo detector, incluso más grande, Super-Kamiokande, así como el Observatorio de Neutrinos de Sudbury en Canadá, explicaron la discrepancia. Los neutrinos vienen en tres “sabores” diferentes (electrón, muón y tau) y pueden oscilar o cambiar entre ellos. Para lograrlo, los neutrinos deben tener masa, algo que las leyes de la física no lograron (y aún no logran) predecir.

Los detectores de neutrinos más nuevos continúan la tradición de grandes ambiciones y resultados sorprendentes. El Observatorio de Neutrinos IceCube debajo de la Estación Amundsen-Scott del Polo Sur utiliza hielo antártico en lugar de agua. Ha desarrollado un mapa de la Vía Láctea compuesto únicamente de neutrinos y ha rastreado estas partículas cósmicas de alta energía hasta galaxias activas alimentadas por agujeros negros supermasivos. En el fondo del Mar Mediterráneo, el Telescopio de Neutrinos de Kilómetros Cúbicos (KM3NET) ha detectado el neutrino cósmico de mayor energía jamás registrado. Su fuente sigue siendo desconocida.