Los tres sabores del neutrino

¿Cómo se pasa de tener una partícula casi imposible de detectar a tener tres? Ésta es la historia de cómo nos dimos cuenta de que el neutrino no podía ser sólo uno.

El neutrino era una realidad. La partícula que Wolfgang Pauli había propuesto para entender la física de la desintegración beta había venido para quedarse. Estábamos a finales de la década de 1950 y aún había pocos experimentos que pudieran detectarla, porque el neutrino atravesaba la piedra, el acero, y también nuestros detectores, como si no estuvieran ahí. Le venía bien el sobrenombre con el que se la iba a conocer: la partícula fantasma.

Pero fantasma o no, ahora ya sabíamos cómo cazarlo. Sabíamos que se producía en grandes cantidades en los reactores nucleares, y sospechábamos que el Sol y la Tierra también emitían neutrinos debido a los elementos radiactivos que hay en su interior. Lo que nadie esperaba todavía, en esa segunda mitad de la década de 1950, es que nos estuviéramos enfrentando a tres partículas y no sólo a una. Hoy llamamos sabores a esas tres “clases” de neutrinos, y ésta es la historia de cómo se puede distinguir un fantasma de tres fantasmas.

Visitantes inesperados

La familia de la física de partículas había crecido mucho entre 1930 y 1960. Al electrón y el protón se les sumaron rápidamente el neutrón y el positrón, la antipartícula del electrón. Después llegaron piones, kaones, antiprotones, antineutrones y, finalmente, el neutrino. La que hoy nos va a interesar es una partícula descubierta en 1936: el muón. Se trataba de una partícula curiosa, que tenía todas las propiedades de un electrón salvo por su masa, que era 200 veces mayor. Después de cierta confusión inicial sobre cómo ubicarlo en la familia, la comunidad lo tuvo claro: se trataba de una especie de “electrón pesado”.

Al igual que el electrón, el muón parecía tener cierta relación con el neutrino. Algunas de estas partículas nuevas, como los piones, se desintegraban a veces a un muón y un antineutrino, o a un antimuón y un neutrino. En la desintegración beta pasaba lo mismo: se emitía un neutrino junto con un positrón, o un antineutrino junto con un electrón. Además, en la propia desintegración del muón se producía un electrón junto con un neutrino y un antineutrino.

En los años 50 ya estaba claro que estos procesos físicos seguían un patrón: había partículas a las que “les gustaba” aparecer juntas, como si formaran una especie de tribu. A los electrones, muones y neutrinos se los llamó leptones, nombre que sigue usándose a día de hoy.

Nuevas partículas

Una pista para entender estas asociaciones entre partículas apareció cuando examinamos un poco más de cerca cómo interaccionan los neutrinos con la materia. Desde los años 30 estos fenómenos se habían venido entendiendo gracias a la interacción de Fermi, en la que, esencialmente, un neutrón se transformaba en tres partículas: un protón, un electrón y un antineutrino.

Esta interacción tenía una propiedad notable: se hacía más probable cuanto mayor fuera la energía. Así, en un choque a velocidades bajas, un neutrino probablemente ignoraría a la materia; pero a velocidades altas, el neutrino chocaría casi con toda probabilidad. Este comportamiento era tan extremo que, a partir de cierta energía, la probabilidad se volvía mayor que el 100%. Esto no tenía ningún sentido, claro, y lo que indicaba es que a esas energías la teoría de Fermi se rompía y ya no servía para describir la física. La sospecha de todos los físicos era que a esas energías entraría en juego una nueva partícula, invisible a energías bajas, que sería la verdadera responsable de la interacción de Fermi. Supuestamente, si tuviéramos en cuenta esa partícula ya no necesitaríamos la interacción de Fermi y la física volvería a tener sentido.

Esa partícula resultó ser real, y es el actual bosón W, aunque su descubrimiento aún estaba muchos años en el futuro, en la década de 1980. Para lo que nos interesa a nosotros, el W permitía entender las relaciones entre los leptones porque un W, al desintegrarse, producía un leptón con carga (un electrón o un muón) y un leptón sin carga: un neutrino. Esto permitía entender todos los patrones que se observaban en las desintegraciones.

Desintegración prohibida

Pero no todo eran buenas noticias con el bosón W. Su existencia tenía otras consecuencias… menos deseables, digamos. La más desagradable era la posibilidad de que un muón se transformara en un electrón escupiendo un fotón, una partícula de luz, en el proceso.

Hemos dicho antes que el muón es muy parecido al electrón pero tiene 200 veces más masa; más precisamente, 207 veces. La idea de este proceso es que el muón “use” al W para librarse de ese exceso de masa: gracias a su interacción con el W, un muón podría transformarse en una pareja W-neutrino. Acto seguido, el W escupiría una energía equivalente a 206 veces la masa del electrón en forma de un fotón. Hecho esto, el W se reuniría con el neutrino para dar lugar a… un electrón, porque ahora ya no tenía energía suficiente para recomponer el muón.

Este proceso se llama “μ → e γ”, y varios experimentos habían tratado de encontrarlo, sin éxito. Y ése era el problema: si el W existía, ese proceso debería ser tan probable que lo habrían encontrado muchos años antes.

Dobles parejas

Aparentemente había algo que no estábamos entendiendo bien: necesitábamos al W, para evitar que la interacción de Fermi explotase a altas energías, pero no lo podíamos tener, o de lo contrario ya habríamos visto el μ → e γ, que no aparecía en ningún experimento.

Por fortuna existía una solución intermedia: ¿y si el neutrino que se producía junto con un electrón no era el mismo que se producía junto con un muón? Es decir, que cuando el W se desintegraba a un electrón emitía un antineutrino “de tipo electrónico”, y cuando se desintegraba a un muón un antineutrino “de tipo muónico”. Aplicado a la desintegración μ → e γ, el muón se separaría en un W y un neutrino muónico, y cuando el W volviera a combinarse con el neutrino no podría producir un electrón, porque ese neutrino no era electrónico. Vista de esta manera, la desintegración estaba prohibida y no teníamos que extrañarnos por no haberla visto: el W podía existir y resolver nuestros problemas sin crearnos uno nuevo.

Esta idea establecía una curiosa estructura de parejas en los leptones: cada partícula cargada tenía asociado un neutrino, y podíamos distinguir a esos neutrinos a través de su partícula compañera. Ésta es la propiedad que llamamos sabor: el neutrino de “sabor electrónico” siempre aparecería junto con un electrón; el de “sabor muónico” siempre con un muón.

Un chorro de neutrinos

Pero una cosa era que todo esto tuviera sentido, y otra muy distinta que la naturaleza hubiera escogido esta solución. Era preciso diseñar un experimento para comprobar si, de verdad, el neutrino electrónico y el muónico eran partículas diferentes. Esto se hizo en los Estados Unidos en los primeros años de la década de 1960, gracias a un nutrido grupo de físicos entre los que se contaban Leon Lederman, Melvin Schwartz, Jack Steinberger, Chen-Ning Yang, Tsung-Dao Lee y Jean-Marc Gaillard. Los tres primeros recibieron el Premio Nobel de Física en 1988 por su contribución a este experimento.

Conceptualmente, la idea era sencilla: crear un chorro de neutrinos muónicos y hacerlo pasar por un detector. Si la hipótesis de los dos neutrinos era cierta en el detector sólo deberíamos ver muones, porque los neutrinos muónicos siempre están asociados al muón. En cambio, si había un solo neutrino veríamos en el detector un 50% de muones y un 50% de electrones.

La parte complicada de esta idea era crear el chorro de neutrinos y dirigirlo adonde uno quería. A diferencia de los protones o los electrones los neutrinos no se veían afectados por campos eléctricos y magnéticos, así que no era posible “pastorearlos” para dirigirlos al detector. Por otra parte, hacía falta encontrar una manera de crear un chorro de neutrinos que fueran exclusivamente muónicos o, al menos, muy mayoritariamente muónicos. Ambos problemas encontraron solución mediante el uso de piones para producir los neutrinos. Los piones son partículas inestables, y en más de un 99% de los casos se desintegran a un muón y un neutrino – muónico, claro.

Otra ventaja de los piones era que se podían producir de forma muy eficiente haciendo chocar protones contra algo, cualquier material. Y, a diferencia de los neutrinos, los protones sí se pueden pastorear y llevar adonde uno quiera. Así que el plan estaba claro: se cogía un chorro de protones y se lo apuntaba hacia el detector; se colocaba un bloque de material en medio, para que los protones produjeran piones. Muchos piones se seguirían moviendo en la misma dirección que los protones, así que ya los teníamos encarrilados. Después se dejaba que los piones volaran y se desintegraran a muones y neutrinos que, de nuevo, seguirían dirigidos hacia el detector. Ya sólo quedaba un último paso: librarse de los muones. Para eso se colocó una pared de más de 13 metros de acero, junto con otros escudos de plomo y hormigón, que frenarían virtualmente cualquier cosa que hubiera en el chorro. Cualquier cosa menos los fantasmales neutrinos, claro. Nuestro chorro de neutrinos estaba listo.

El experimento se preparó en el laboratorio de Brookhaven, en Nueva York, aprovechando que allá tenían un potente haz de protones. Tras recoger datos durante varias semanas y eliminar de ellos todas las posibles fuentes de error el resultado fue definitivo: 34 muones de alta energía, más otros 22 que venían acompañados de un pión y no fueron tenidos en cuenta. Sólo 5 de ellos se podían atribuir a contaminación por rayos cósmicos. En contraposición, el número de electrones encontrados fue de 6. Habían demostrado que los neutrinos tenían sabor.

El tercer sabor

El primer capítulo de esta historia fue, posiblemente, más emocionante que el segundo. Cuando en el año 1975 se descubrió una partícula similar al electrón pero 3500 veces más pesada no hubo tantas dudas como quince años antes: si lo que tenían entre manos era un tercer leptón cargado, ese leptón tenía que venir acompañado de un tercer neutrino. A la nueva partícula se la llamó tau, y a su neutrino asociado se lo suele conocer como neutrino del tau.

A pesar de que todo el mundo aceptó con facilidad la existencia del tercer neutrino su confirmación experimental hubo de esperar más de veinte años. Las razones son diversas: en primer lugar, crear un chorro de neutrinos del tau es extremadamente difícil, porque no conocemos partículas que se desintegren a un tau el 99% de las veces. En segundo lugar, la propia detección del tau es más complicada, porque su vida es mucho más corta que la del muón y porque se desintegra a menudo a piones y otras partículas que nos hacen la vida difícil. El responsable de confirmarnos la existencia del tercer sabor fue el experimento DONUT, operado en el laboratorio Fermi de Chicago, en el año 1997.

Como no era posible crear un haz puro de neutrinos del tau el enfoque de DONUT tuvo que ser un poco diferente al del experimento de Brookhaven en los años 60: ellos iban a crear un haz de neutrinos en el que estarían presentes los tres sabores, y se asegurarían de que hubiera al menos algunos neutrinos del tau. Su trabajo iba a ser observar todas las colisiones de esos neutrinos y localizar en ellas un tau “que apareciera de la nada”: la señal inequívoca de que un neutrino había “volado” a través del material y había interaccionado, transformándose en su leptón cargado asociado.

Como los taus viven tan poco, el equipo de DONUT decidió que la identificación directa podía ser una buena estrategia. El corazón de su experimento era una serie de láminas de detector sólido en las que el paso de una partícula se quedaba “grabado”, como si fuera una placa fotográfica. En este tipo de detector los taus se verían como una línea muy corta, de 2-5 mm de longitud, de la que luego salía otra línea más larga formando un ángulo con la primera. Esa figura con forma de codo ilustra la historia del proceso que estaban buscando: el breve vuelo del tau, seguido de su desintegración a otra partícula de vida más larga y a neutrinos, que no aparecen en la lámina.

El experimento fue un éxito. Dada la composición inicial del chorro de neutrinos, la colaboración esperaba que entre un 4 y un 6% de las interacciones fueran debidas a neutrinos del tau. En total se registraron 898 interacciones, de las cuales hubo que retirar las que no habían sido recogidas por completo, las que no tenían resolución suficiente y las que no mostraban rastro de un tau. Al final del análisis cuatro interacciones resultaron ser taus inequívocos que habían aparecido dentro del detector. El tercer sabor estaba servido.

Esta historia nos deja con los tres neutrinos que conocemos hoy: el electrónico, el muónico y el del tau. A pesar de que se ha teorizado a menudo con la existencia de otros sabores, nunca se han encontrado evidencias de que existan. Pero con tres tenemos más que suficiente, porque gracias a ellos vamos a abrir un melón que sigue añadiendo sabor a la historia del neutrino hasta nuestros días. Pero ésa es otra historia y habrá de ser contada en otra ocasión.

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

QUE NO TE LA CUELEN

  • Las partículas tienen propiedades llamadas sabor y color, pero lógicamente no tienen nada que ver con el color y el sabor que percibimos a través de nuestros sentidos. En el caso de los neutrinos, el sabor nos dice con qué partícula cargada están asociados.
  • En física se especula a menudo con la existencia de nuevas partículas, pero para que sean algo más que una idea sugerente tienen que ser confirmadas por los experimentos.

REFERENCIAS