Sociedad

“Queridos señores y señoras radiactivos”: 90 años de la partícula fantasma

En diciembre de 2020 se cumplen 90 años del neutrino, una de las partículas más fascinantes de la física moderna. Hoy te vamos a contar cómo empezó su historia.

Un fragmento de la histórica carta en la que Wolfgang Pauli propuso la existencia del neutrino. El encabezamiento de la misiva, “Liebe Radioaktive Damen und Herren” (“Queridos señores y señoras radiactivos”), se ha convertido en un icono de la física del siglo XX.
Un fragmento de la histórica carta en la que Wolfgang Pauli propuso la existencia del neutrino. El encabezamiento de la misiva, “Liebe Radioaktive Damen und Herren” (“Queridos señores y señoras radiactivos”), se ha convertido en un icono de la física del siglo XX. FOTO: Wolfgang Pauli / Lise Meitner / CERN

Hoy en día conocemos alrededor de 250 partículas diferentes. Con el LHC en funcionamiento, se anuncia el descubrimiento de alguna partícula nueva casi todos los años, y los físicos teóricos proponen la existencia de posibles nuevas partículas de forma rutinaria. La mayoría de estas partículas hipotéticas nunca sale del papel, pero algunas son descubiertas en los experimentos y pasan a engrosar la lista de partículas subatómicas. Así funciona la ciencia en el siglo XXI, en la era de los grandes experimentos apoyados por teorías extremadamente precisas y maduras.

Pero la realidad no siempre fue así. Hubo una época en que para explicar la naturaleza sólo necesitábamos tres partículas: electrones, protones y fotones, las partículas de la luz. Bueno, había algún problemilla para entender las masas de los núcleos, pero eso eran detalles. Lo importante era que para construir cualquier átomo te bastaba con cargas positivas (protones) y cargas negativas (electrones), y a partir de eso ya podías fabricar el universo. Eran tiempos sencillos en los que no sabíamos la mitad de la mitad de lo que nos esperaba, pero imaginemos lo difícil que debía de resultar proponer una partícula nueva en ese contexto. ¿Para qué? ¡Si ya tenemos todas las que necesitamos!

Bueno, evidentemente no tenían todas las que necesitaban, pero la lista de partículas era corta y añadir una nueva era un asunto muy serio. No podías añadir una el martes y darte cuenta el viernes de que mejor no, mejor la quitas porque no termina de encajar. Por eso, en parte, los primeros compases de la historia del neutrino fueron un poco tortuosos.

Desintegraciones nucleares

Todo empezó con la física nuclear. El átomo estaba formado por un núcleo, en el que vivían los protones, y una nube de electrones que flotaba a su alrededor y era la que daba forma a los átomos. El núcleo era, en realidad, extremadamente pequeño: una mota de polvo diminuta en el corazón del átomo, y no lo entendíamos demasiado bien. No sabíamos, por ejemplo, por qué los protones, que tienen carga positiva, se apelotonaban en un espacio muy pequeño en lugar de repelerse y huir los unos de los otros. No sabíamos tampoco, y esto era más misterioso todavía, por qué algunos núcleos estallaban de repente, en un proceso conocido como radiactividad.

La radiactividad consistía en que ciertos átomos emitían partículas espontáneamente, sin que les hiciéramos nada. Con el paso de los años se descubrió que ese fenómeno, fuera lo que fuera, estaba ocurriendo dentro del núcleo. Parece que algunos núcleos, por motivos que se desconocían, no podían existir en su forma actual: pasado un tiempo escupían una partícula y se transformaban en un núcleo diferente. Era como si se produjera una pequeña explosión dentro del núcleo y un trozo saliera volando hacia fuera. Esos trozos eran muy variados: algunos eran parecidos a núcleos pequeños, como si, efectivamente, se hubiera separado un pedazo. Otros, en cambio, eran electrones, lo cual sugería que dentro del núcleo no sólo estaban los protones: también, en algún sitio, había electrones escondidos.

Una representación de una desintegración beta, en la que el núcleo emite un electrón y, a cambio, un neutrón se transforma en un protón. En este dibujo hemos representado los neutrones como bolas de color rojo y los protones como bolas de color azul.
Una representación de una desintegración beta, en la que el núcleo emite un electrón y, a cambio, un neutrón se transforma en un protón. En este dibujo hemos representado los neutrones como bolas de color rojo y los protones como bolas de color azul. FOTO: Alberto Aparici / Inductiveload / Font Awesome (Wikimedia) (nombre del dueño)

La historia de cómo se llegó a entender este fenómeno es extremadamente bonita, pero no es la que vamos a contar hoy. Hoy nos interesan las diferencias entre los núcleos que emitían un trozo pequeño de núcleo (la llamada radiación alfa) y los que emitían un electrón (la radiación beta).

La energía, en peligro

Los dos procesos, el alfa y el beta, parecían similares. Seguramente lo que ocurría dentro del núcleo en cada caso era diferente, pero en ambos casos teníamos un objeto inicial (el núcleo “padre”) que se parte en dos trozos: el núcleo “hijo” y la partícula emitida. Este tipo de “explosión”, como es muy sencilla, siempre cumple unas cuantas cosas: por ejemplo, si el núcleo inicial está parado los dos pedazos salen en direcciones opuestas. Y las velocidades de los pedazos sólo dependen de sus masas: cuanto mayor la masa, más lentos se mueven. Así, cabría esperar que los núcleos hijos tuvieran velocidades muy pequeñas, porque son los más pesados, las partículas alfa un poco mayores y los electrones fueran los más rápidos. El cálculo de verdad es un poco más complicado que esto, pero no mucho más: los físicos no esperaban sorpresas cuando fueran al laboratorio a medir la velocidad de cada pedazo.

Y, efectivamente, las partículas alfa se comportaban como esperábamos: si cogíamos núcleos idénticos todas las partículas alfa que salían de ahí tenían la misma velocidad. Como era lógico. Las beta, sin embargo… resultaron ser harina de otro costal. Durante las décadas de 1910 y 1920 numerosos grupos midieron la velocidad de los electrones que salían de las desintegraciones beta, y todos observaron lo mismo: que un mismo núcleo podía producir electrones con velocidades diferentes.

Esta gráfica muestra las velocidades de los electrones emitidos por un mismo núcleo, el de bismuto-210. En el eje horizontal tenemos la energía cinética de los electrones (que es otra forma de darnos la velocidad, porque para cada energía hay una sola velocidad posible) y en el eje vertical tenemos el número de electrones con cada energía. Como vemos, la energía que más se repite está alrededor de 0,1 MeV, pero hay electrones que salen con energía cero (o sea, que no salen, que tienen velocidad cero) y hay otros que llegan a tener energías por encima de 1,1 MeV. Esto resultaba incomprensible, dado que todos los núcleos, padres e hijos, eran iguales.
Esta gráfica muestra las velocidades de los electrones emitidos por un mismo núcleo, el de bismuto-210. En el eje horizontal tenemos la energía cinética de los electrones (que es otra forma de darnos la velocidad, porque para cada energía hay una sola velocidad posible) y en el eje vertical tenemos el número de electrones con cada energía. Como vemos, la energía que más se repite está alrededor de 0,1 MeV, pero hay electrones que salen con energía cero (o sea, que no salen, que tienen velocidad cero) y hay otros que llegan a tener energías por encima de 1,1 MeV. Esto resultaba incomprensible, dado que todos los núcleos, padres e hijos, eran iguales. FOTO: Alberto Aparici / HPaul / Google (Wikimedia) (nombre del dueño)

Esto no tenía ningún sentido. Si el núcleo padre era siempre igual y el núcleo hijo era siempre igual todos los electrones tenían que ser también iguales. No era posible que algunos salieran con velocidades altísimas y otros salieran prácticamente parados. ¿De dónde sacaban la energía los que iban rápido? ¿Adónde había ido a parar la energía de los que iban lentos? Volviendo a mirar las ecuaciones pronto quedó claro que los electrones que “lo estaban haciendo bien” eran los rápidos. Las velocidades esperadas coincidían con las de los electrones más rápidos que se observaba. Por lo tanto, lo que estaba pasando es que en el resto de casos la energía se estaba perdiendo. La mayoría de los electrones parecía haberse dejado energía por el camino, pero nadie sabía dónde.

Este fenómeno fue motivo de gran preocupación durante toda la década de 1920. La conservación de la energía es algo serio en física, ya que está ligada a que las leyes de la física no cambien con el tiempo. El hecho de que se estuviera “perdiendo energía” en las desintegraciones beta podía querer decir que la física de lo que estaba ocurriendo en el núcleo era variable, pero aun en ese caso ¿por qué no lo habíamos visto hasta ahora? La conservación de la energía era muy evidente en toda la física conocida, pero no aquí. Una de las grandes figuras del momento, el danés Niels Bohr, propuso que quizá la conservación de la energía era un fenómeno estadístico: la vemos en la vida diaria porque los objetos macroscópicos están formados por muchas partículas, pero para una partícula individual la energía no se conserva. La comunidad estaba a un paso de derribar uno de los pilares de la física de todos los tiempos.

Un remedio desesperado

En este momento es cuando entra en escena Wolfgang Pauli, un físico austríaco de apenas 30 años que había publicado su primer trabajo científico a los 18, antes de la universidad. Pauli hizo un razonamiento que, en realidad, era muy sencillo: si parece que a los electrones les falta energía será que se la está llevando otra partícula. Quizá, simplemente, lo que está pasando es que la desintegración alfa sí es del tipo “un objeto que se parte en dos trozos”, pero la beta es “un objeto que se parte en tres trozos, pero uno de los trozos no lo estamos viendo”. Ese tercer trozo había de ser una partícula totalmente nueva, que también estaría dentro del núcleo y que sería liberada junto con el electrón en la desintegración beta. Esta nueva partícula tenía que ser muy esquiva y no dejar ninguna señal en ninguno de nuestros detectores: tenía que ser prácticamente un fantasma.

Wolfgang Pauli, que propuso la existencia del neutrino en el año 1930.
Wolfgang Pauli, que propuso la existencia del neutrino en el año 1930. FOTO: CERN (nombre del dueño)

Con este razonamiento el neutrino acababa de nacer. Pero una cosa era imaginarlo y otra muy diferente era hacerlo público. Había en la idea del neutrino algo incómodo: la noción de una partícula que no podíamos detectar. La ciencia, al fin y al cabo, se hace con experimentos, con datos que obtenemos a base de hacerle preguntas a la naturaleza. Una partícula que no se ve en ningún detector ¿es una idea científica? ¿O es una excusa barata tras la que escondemos nuestra ignorancia? Si nadie podía hacer un experimento en que se midieran las propiedades de esta partícula ¿era acaso ciencia lo que estaba haciendo Pauli?

No sabemos cuántos de estos pensamientos pasaron por la cabeza de Pauli, pero sí sabemos una cosa: él no se sentía demasiado cómodo con su propia idea. Nunca escribió un artículo para hacerla pública. No acudió a ningún congreso científico a defenderla. Lo único que hizo fue escribir una carta exponiendo las líneas generales y el 4 de diciembre de 1930 la envió a Lise Meitner, que estaba participando en un congreso en Tübingen, junto con uno de sus colaboradores para que diera explicaciones si alguien se las pedía. En la carta Pauli decía que no había podido ir él en persona porque era “indispensable en Zúrich” porque le habían invitado a un baile.

La carta empezaba con una frase que se ha convertido en un mito de la física: “Queridos señores y señoras radiactivos”, y en ella describía a la nueva partícula como un “remedio desesperado” para salvar la ley de la conservación de la energía. Las circunstancias que rodearon a este anuncio son tan anómalas, y la reticencia de la comunidad tan grande a aceptar una partícula que no podía ser detectada que el nombre del colaborador que llevó la carta a Tübingen se ha perdido para la historia. Nadie sabe quién fue. Pauli siguió mostrándose reticente a discutir su idea en público, y años después calificaría al neutrino de “esa criatura estúpida de mi crisis vital”.

Pero, desde luego, no estaríamos hoy hablando de él si los neutrinos no hubieran resultado ser muy reales. Costó un tiempo, pero finalmente se dejaron detectar. Sólo hizo falta 200 litros de agua y un reactor nuclear. Aunque ésa es otra historia y habrá de ser contada en otra ocasión.

Este artículo es el primero de una serie dedicada a la historia del neutrino. Podéis encontrar aquí el segundo y el tercero. Manteneos atentos, porque pronto llegarán nuevos capítulos.

QUE NO TE LA CUELEN

  • Aunque en los años 20 muchos científicos pensaban que los electrones de las desintegraciones beta estaban dentro del núcleo hoy sabemos que eso no es así: los electrones se crean en el proceso de transformación de un neutrón en un protón.
  • La conservación de la energía sigue siendo, a día de hoy, una de las leyes fundamentales de la física. El único ámbito en que sabemos que no se cumple es en el universo en expansión, debido a que el propio universo está cambiando con el tiempo.
  • Los neutrinos no son fantasmas, pero para ellos la materia es esencialmente transparente, les cuesta mucho colisionar con nosotros. Para frenar un neutrino proveniente de una desintegración beta habríamos de ponerle por delante un año luz de plomo.

REFERENCIAS