Neutrinos: El origen de todo

Por: Hanguk Yun y Saneli Carbajal Vigo
Esta es una historia parcial, aunque ciertamente fiable. En el principio, hace 13.800 millones de años, el universo estaba comprimido en un espacio más pequeño que un átomo, denso y caliente como el Sol nunca lo estará. Las reglas con que operaba ese mundo diminuto son desconocidas. Pero se sabe que en un momento dado la energía contenida se liberó y comenzó a expandirse, formando poco a poco los átomos, la materia y más tarde —aunque mucho más tarde— los planetas, las estrellas y la Tierra. Es lo que dice, en versión resumida, la teoría del big bang.

Los científicos saben también que en ese tiempo inicial hubo una guerra, la primera de todas. Existieron dos rivales en igualdad de número. A una de ellas se le conoce bien: es la materia, casi todo lo que nos rodea está hecho de materia. La otra es idéntica a esta como su propio reflejo, pero de naturaleza contraria. Se le llama antimateria. Después del big bang, estas partículas estuvieron enfrentándose sin descanso. Pero, si eso hubiera sido así —y lo es, al menos como verdad científica aceptada—, la vida que conocemos hoy no existiría, ya que al entrar en contacto estas dos se aniquilan. ¿Cómo fue posible que el universo sobreviviera a esa guerra?

—Materia y antimateria—
La respuesta podría residir en unas diminutas y escurridizas partículas llamadas neutrinos. Para el profesor Alberto Gago, el físico que lidera su estudio en el Perú, los neutrinos podrían ser capaces de ser materia y antimateria a la vez. Así de raros. La explicación a la pregunta sería que, durante esa remota guerra, existió un neutrino exótico que tendió con más intensidad a volverse materia. Esa pequeña diferencia en número es lo que habría decidido todo. En otras palabras, incluso la vida que surgió en nuestro planeta se habría formado a partir de los neutrinos que no se destruyeron: los sobrevivientes.

El neutrino pertenece al grupo de las llamadas partículas elementales porque no puede dividirse en otras más pequeñas. De entre todas las que poseen masa, son las más enigmáticas: no existe ninguna tan abundante, pequeña o veloz en la naturaleza. Un neutrino es mil millones de veces más pequeño que un átomo de hidrógeno y puede traspasar una pared de plomo sin perturbarse. Nacen del Sol, de las estrellas y hasta de la dulzona carne de un plátano. Están en todas partes. En este instante, mientras este artículo es leído, cien mil millones de ellos atraviesan la uña de nuestro pulgar a cada segundo.

—La oscilación de neutrinos—
“Los neutrinos podrían darnos la respuesta de por qué el universo está hecho de materia y no de antimateria […] Y también, como suele suceder con la investigación básica, nos podrían llevar hacia aplicaciones prácticas sorprendentes. De hecho hay estudios que utilizan a los neutrinos para hacer tomografía de la Tierra o para hallar grandes cavidades subterráneas de agua, petróleo o minerales”, comenta Gago, quien, además, es uno de los pocos físicos peruanos que trabajó para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el mayor acelerador de partículas del mundo. Y, además de todo eso, existen tres tipos de neutrinos —o sabores, como prefieren llamarles los científicos—: el electrónico, el muónico y el tauónico. Durante su existencia, estas partículas pueden cambiar de un tipo a otro. Esta capacidad única se conoce como la oscilación de neutrinos. En 2015, el japonés Takaaki Kajita y el canadiense Arthur McDonald ganaron el premio Nobel de Física por haberla descubierto.

Pero, a pesar de que en los últimos 40 años la investigación de neutrinos sumó cuatro premios Nobel de Física, estudiarlos es muy difícil.

—Mensajeros del universo—
La naturaleza enigmática de los neutrinos esconde su potencial. De entre todas las energías y partículas que se liberan en las explosiones de las estrellas más lejanas, a miles de galaxias de la nuestra, las únicas partículas de materia que son capaces de llegar a la Tierra son los neutrinos. Como casi no interactúan, nada detiene su viaje interestelar. Un rayo solar tarda medio millón de años en salir del núcleo del Sol y llegar a la Tierra. Un neutrino hace el recorrido en ocho minutos. Esto los convierte en mensajeros: nos dicen que está pasando allá arriba, en los confines más alejados del universo. “En el campo de la astrofísica, los neutrinos juegan un rol muy importante en el conocimiento que tenemos de las explosiones de las supernovas (estrellas en su fase final de vida)”, comenta Kirk McDonald, profesor de Física de la Universidad de Princeton.

Además, entre nosotros existen neutrinos antiquísimos, sobrevivientes del big bang. Según estimaciones del Fermilab, hay alrededor de 300 millones de estas partículas por cada metro cúbico de espacio. “Ellos son muy importantes para entender las interacciones fundamentales del universo. Existe un remanente de gran densidad de neutrinos de esos primeros momentos que aún no hemos podido detectar. Conocerlos ayudaría a completar una imagen cosmológica de lo que produjeron en ese tiempo remoto”, comenta McDonald, quien participó con otros expertos en el XII Congreso Latinoamericano de Física de Altas Energías en la PUCP.

Para saber más de estas imperceptibles partículas, los científicos construyen sus propias catedrales de la ciencia moderna: palacetes de plomo y cobre enterrados bajo tierra, telescopios de racimos de cables situados en la Antártida o piscinas enormes que monitorean su eventual aparición a cada instante. Uno de los más ambiciosos es el llamado proyecto DUNE.

—Un cañón y un detector—
En las profundidades de Dakota del Sur (Estados Unidos) se está construyendo la más ambiciosa de estas instalaciones: el Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo (DUNE, por sus siglas en inglés). Es un circuito compuesto por un cañón que dispara rayos de neutrinos y un detector —ubicados en las instalaciones del Laboratorio Nacional Fermi (Fermilab)—, a los que se suma otro detector —de lejos, el más grande y potente del mundo—, que pertenece al Centro de Investigación Subterráneo de Sanford.

El experimento funcionará así: el cañón del Fermilab disparará su rayo de neutrinos. En su camino a Sanford, a unos mil trescientos kilómetros de allí, estas partículas atravesarán en dos momentos los detectores. Está claro que algunas de ellas, movidas por el principio de la oscilación, cambiarán de forma durante su viaje: de muónicos a electrónicos, por ejemplo.

Los científicos pretenden medir con qué tanta frecuencia ocurre este fenómeno. Acopiando datos estadísticos, estudiarán las diferencias de comportamiento. Este es el centro del experimento que concluirá en 2026. En el estudio de la oscilación de los neutrinos, existe un parámetro que determina qué tan distinto es uno de su contraparte de antimateria, el antineutrino. El experimento DUNE estará a la caza de ese parámetro. Si llegan a comprobar que la diferencia es grande, podrían inferir que así ocurrió también en el origen del universo, cuando estas partículas estaban enfrascadas en su guerra subatómica. Habría sido este comportamiento el que rompió el equilibrio de fuerzas, y generó la materia de la que está hecha nuestro planeta y el resto de astros.

—Un viaje esquivo—
“Permitiendo que haces de neutrinos y antineutrinos muy intensos viajen grandes distancias desde su punto de producción hasta su detección, podríamos comparar a estas partículas detectadas y medir una propiedad que podría ayudarnos a explicar este desbalance entre materia y antimateria que hubo en el universo”, comenta el profesor Gago.

“La altísima capacidad para detectar un número elevado de neutrinos o antineutrinos hace que DUNE no solo pueda medir con una precisión estadística sin precedentes, sino también pueda probar una enorme variedad de teorías e hipótesis que pondrán a prueba algunos de los cimientos de la física actual”, añade.

En cualquier caso, la expectativa es grande. Más de mil científicos de 32 países, entre ellos el Perú, trabajan en el experimento. El esquivo viaje de los neutrinos —esa danza subatómica aún negada a nuestro entendimiento— los espera.

Para ver:
Ponte cómodo y descubre la importancia de los neutrinos en este video hecho por TED. No olvides activar los subtítulos en caso los necesites.