Oscilaciones de neutrinos, la sinfonía de las partículas

Es un fenómeno sorprendente enraizado en las leyes de la física cuántica: algunas partículas cambian sus propiedades sólo por moverse de un sitio a otro.

El experimento Super-Kamiokande, un tanque de agua de 50 millones de litros, fue fundamental para demostrar que los neutrinos oscilan. El director de este experimento fue uno de los depositarios del Premio Nobel de Física del año 2015 por este descubrimiento.
El experimento Super-Kamiokande, un tanque de agua de 50 millones de litros, fue fundamental para demostrar que los neutrinos oscilan. El director de este experimento fue uno de los depositarios del Premio Nobel de Física del año 2015 por este descubrimiento.Super-Kamiokande Collaboration

En nuestra experiencia diaria, si un objeto cambia es porque le ha sucedido algo. Por ejemplo, el hielo se funde cuando su temperatura supera los 0 ºC, o el hierro se oxida si entra en contacto con el oxígeno de la atmósfera y reacciona con él. Nadie imaginaría que el desencadenante de una transformación pudiera ser, simplemente, que el objeto se ha movido. Nos resultaría absurdo que cogiéramos una manzana de la cocina y, al llegar al comedor, se hubiera convertido en una pera. Y esto, sin embargo, es exactamente lo que ocurre en el peculiar mundo de la física cuántica. El nombre de este fenómeno es oscilación.

Desde luego, esto no sucede con manzanas o con peras. Lo observamos en partículas subatómicas, en objetos pequeños y muy bien aislados de lo que les rodea, y lo que vemos es que, efectivamente, tienen unas propiedades en un lugar y sólo por moverse a otro sitio muestran unas propiedades diferentes. El caso más famoso es el de los neutrinos, que dieron muchos dolores de cabeza a los físicos a lo largo del siglo XX.

Los neutrinos tienen tres formas de interaccionar con la materia: en una de ellas prefieren intercambiar energía con los electrones; en otra de ellas, con una partícula llamada muón; y en la tercera interaccionan con otra partícula llamada tau. A la vista de esto resultaba muy natural pensar que hay tres clases de neutrinos, cada uno con una forma diferente de relacionarse con la materia. A estas tres clases las llamamos sabores, y cada sabor recibe, de forma no muy imaginativa, un apellido: neutrino electrónico, neutrino muónico, neutrino del tau.

Las partículas perdidas

La historia hasta aquí no era muy problemática, pero se empezó a complicar a partir de la década de 1960, con una serie de resultados que eran difíciles de explicar. El primero tenía que ver con los neutrinos del Sol: se suponía que en el núcleo de las estrellas se producen muchos neutrinos de tipo electrónico, porque allí ocurre un gran número de reacciones nucleares. Sin embargo, los experimentos que se diseñaron para estudiar estos neutrinos encontraban sistemáticamente sólo un 30% de lo esperado. A este déficit se lo bautizó como el problema de los neutrinos solares.

Una imagen del Sol obtenida mediante neutrinos con datos del experimento Super-Kamiokande. Aunque ésta es una imagen histórica su resolución no es muy buena: en ella el Sol aparece 30 veces más grande de lo que lo vemos mediante luz.
Una imagen del Sol obtenida mediante neutrinos con datos del experimento Super-Kamiokande. Aunque ésta es una imagen histórica su resolución no es muy buena: en ella el Sol aparece 30 veces más grande de lo que lo vemos mediante luz.R. Svoboda / K. Gordan / Super-Kamiokande Collaboration

Lógicamente, las primeras sospechas recayeron sobre los eslabones más débiles de la cadena. Se dijo que los cálculos debían ser erróneos, o que los experimentos estarían mal hechos. Pero pasaron los años y llegaron nuevas generaciones de científicos y nuevos experimentos, y obstinadamente encontraban los mismos resultados y las mismas incógnitas. Además, a este problema con los neutrinos del Sol se le unió, al cabo de algunos años, un problema similar con los neutrinos de la atmósfera.

La atmósfera terrestre está bombardeada continuamente por partículas que vienen del espacio exterior, los rayos cósmicos. Al chocar contra átomos de la atmósfera los rayos cósmicos producen cascadas de partículas que incluyen neutrinos, tanto electrónicos como muónicos. Y, de nuevo, los experimentos que trataban de estudiar estos neutrinos encontraban algo que no sabían explicar: o bien tenían demasiados neutrinos electrónicos o bien demasiado pocos de los muónicos. Fuera como fuera los números no cuadraban. Y ya era la segunda vez.

Transmutación de partículas

Costó varias décadas y mucha prueba y error, pero finalmente, entre los últimos años del siglo XX y los primeros del siglo XXI, se dio con la respuesta. Lo que les estaba pasando a los neutrinos no era que desaparecieran, o que fueran absorbidos de forma misteriosa por algún material. Lo que pasaba es que, a medio camino entre las fuentes y los detectores, los neutrinos mutaban y cambiaban de sabor. Los neutrinos que se producían en el Sol eran todos electrónicos, pero parte de ellos se transformaban en muónicos o del tau y no los conseguíamos detectar. En la atmósfera eran los neutrinos muónicos los que se convertían en otros sabores y desaparecían de nuestro radar. Literalmente, lo que estábamos presenciando era peras convertirse en manzanas.

Esta gráfica muestra la probabilidad de oscilación de un neutrino que es inicialmente 100% electrónico y que se mueve en el vacío. La línea negra representa el sabor electrónico, la línea azul el sabor muónico y la línea roja el sabor tau. Como podemos ver, el comportamiento del neutrino sigue siendo fundamentalmente electrónico durante varios miles de kilómetros, después pasan a dominar los sabores muónico y tau, y más tarde se vuelve a la situación inicial. Además la oscilación depende de la energía del neutrino, de forma que neutrinos más rápidos necesitan una distancia mayor para oscilar.
Esta gráfica muestra la probabilidad de oscilación de un neutrino que es inicialmente 100% electrónico y que se mueve en el vacío. La línea negra representa el sabor electrónico, la línea azul el sabor muónico y la línea roja el sabor tau. Como podemos ver, el comportamiento del neutrino sigue siendo fundamentalmente electrónico durante varios miles de kilómetros, después pasan a dominar los sabores muónico y tau, y más tarde se vuelve a la situación inicial. Además la oscilación depende de la energía del neutrino, de forma que neutrinos más rápidos necesitan una distancia mayor para oscilar.Strait (Wikimedia)

¿Y a qué se debe esa transformación? Fundamentalmente a dos factores. El primero, que la propiedad que gobierna cómo se mueven las partículas es su masa. El segundo, que lo que nosotros observamos de los neutrinos no es su masa, sino su interacción. Veamos cada uno de estos dos conceptos por separado.

En primer lugar, hemos dicho que el movimiento está gobernado por la masa, pero sería más correcto decir que un sistema con una masa y una energía definidas es un poco especial, porque no cambia cuando se mueve. Ésta es una de las propiedades más sagradas de la física cuántica, y tiene que ver con que la energía no puede crearse ni destruirse. Un sistema que tenga una energía bien definida seguirá estando en ese estado a no ser que intercambie energía con otro sistema. Aplicado a nuestras partículas, un neutrino con una masa y energía definidas podría moverse por todo el universo y seguiría siendo el mismo neutrino.

Pero ése no es el caso de los neutrinos con los que nosotros tratamos. Nuestros neutrinos se crean en interacciones con otras partículas: si es con electrones se creará un neutrino electrónico, si es con muones, un neutrino muónico. Y aquí está la trampa: esas interacciones no generan neutrinos con masa definida, sino una combinación de varias masas. Podemos usar una metáfora para imaginarlo: preguntémonos cuál es la frecuencia de la nota de un piano. Todas las notas del piano tienen una frecuencia principal, la que indicamos en las partituras, pero no es la única: junto a esa frecuencia principal vienen muchas otras que son las que le dan el timbre, las que hacen que el piano suene a piano y no a violín. Así que, técnicamente, si nos preguntamos cuál es la frecuencia de la nota de un piano no podemos dar una respuesta única: es una combinación de muchas frecuencias. Si algo “suena a piano”, si tiene el timbre de un piano, no va a tener una sola frecuencia. De la misma forma, si un neutrino “suena a electrón” no va a tener una sola masa, sino una combinación de varias.

Espectrograma de un la de 442 Hz en un piano. El eje vertical representa las frecuencias, y el eje horizontal el tiempo. Así pues, cada línea horizontal representa una frecuencia que forma parte de esta nota en concreto, y la longitud de la línea nos dice durante cuánto tiempo suena ese armónico. Como vemos, al menos 26 frecuencias contribuyen al sonido de esta nota, y los armónicos agudos son mucho más efímeros que los graves.
Espectrograma de un la de 442 Hz en un piano. El eje vertical representa las frecuencias, y el eje horizontal el tiempo. Así pues, cada línea horizontal representa una frecuencia que forma parte de esta nota en concreto, y la longitud de la línea nos dice durante cuánto tiempo suena ese armónico. Como vemos, al menos 26 frecuencias contribuyen al sonido de esta nota, y los armónicos agudos son mucho más efímeros que los graves.Brian Martínez

¿A qué “suena” un neutrino?

En esta sección hemos dicho varias veces que las partículas se entienden mejor como ondas. Nunca nos vino tan bien esa frase como ahora: de la misma forma que los sonidos se combinan y forman el timbre de un instrumento musical también los neutrinos con masas definidas se combinan para dar lugar a los tres sabores que medimos en nuestros laboratorios. Pero hay una diferencia crucial entre los neutrinos y el sonido: para el sonido sabemos cómo crear una frecuencia pura, sin timbre; para los neutrinos no tenemos ni idea de cómo producir un neutrino con masa definida. Siempre los creamos y los detectamos mediante sus interacciones, en la forma de esas combinaciones “timbradas” de varias masas.

Ahora ya estamos en condiciones de explicar por qué se producen las oscilaciones. Partimos de un neutrino que ha sido creado en una interacción, y por lo tanto es una combinación de varias masas. Cada una de esas masas evoluciona de forma independiente, ignorando a las demás; en concreto, las masas más grandes evolucionan más rápido y las más pequeñas, más lento. Debido a esta diferencia el balance entre las “masas agudas” y las “masas graves” cambia cuando el neutrino se mueve. Volviendo a nuestra metáfora del sonido, es como si a un piano le quitáramos todas las frecuencias agudas: lógicamente, ya no sonaría a piano.

De la misma forma, el neutrino que se está moviendo ya no “suena” al sabor que tenía inicialmente. Tal vez al principio el neutrino era electrónico, pero ahora está “aprendiendo” a interaccionar con los muones. Su sabor está cambiando porque las masas se están desacompasando. Y para ello sólo ha hecho falta que el neutrino se mueva.

En este diagrama podemos ver la “composición” de los tres neutrinos con masa definida. Como vemos, uno de ellos es mayoritariamente un neutrino electrónico, otro está repartido entre los tres sabores a partes iguales y el último es esencialmente 50% muónico - 50% tau, con una pequeña componente electrónica. El sabor muónico y tau están altamente mezclados, como podemos observar en el hecho de que en los tres casos la contribución de uno y otro es muy parecida.
En este diagrama podemos ver la “composición” de los tres neutrinos con masa definida. Como vemos, uno de ellos es mayoritariamente un neutrino electrónico, otro está repartido entre los tres sabores a partes iguales y el último es esencialmente 50% muónico - 50% tau, con una pequeña componente electrónica. El sabor muónico y tau están altamente mezclados, como podemos observar en el hecho de que en los tres casos la contribución de uno y otro es muy parecida.JUNO Collaboration (CUSTOM_CREDIT)

El ojo del observador

A la vista de todos estos fenómenos mucha gente se pregunta “Muy bien, pero ¿cuál es el neutrino de verdad? ¿El que sabe cómo interaccionar, que es el que yo manejo en un laboratorio? ¿O el que tiene masa definida, que es el que dirige la orquesta cuando el neutrino se mueve?”. Esa pregunta, desde luego, es muy sensata. Pero es importante entender que es una pregunta sin sentido. A la naturaleza le da igual que nosotros queramos tener un neutrino “de verdad”. El hecho es que hay unos estados de masa definida que son los que evolucionan de forma sencilla. Y hay otros estados, de sabor definido, que son los que interaccionan de forma sencilla. Es quizá una pena, pero unos no coinciden con los otros.

Una de las lecciones más importantes de la teoría cuántica es que debemos hacernos las preguntas correctas, las que tienen respuesta. Mientras estuvimos dando por sentado que había unos neutrinos “de verdad”, y que eran lógicamente los que nosotros manipulamos en los laboratorios, no nos fue posible entender qué estaba pasando en las oscilaciones. Sólo cuando renunciamos a esa pregunta y nos hicimos otras, que sí tienen respuesta (¿cómo se crea el neutrino? ¿qué le ocurre cuando se mueve? ¿qué pasa cuando llega a nuestro detector?) pudimos encajar todas las piezas. Sólo entonces pudimos escuchar en todo su esplendor la sinfonía de los neutrinos.

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

QUE NO TE LA CUELEN

  • Las oscilaciones son un fenómeno poco común, incluso en el mundo de las partículas. Para que se produzcan es necesario que la partícula interaccione muy poco con el entorno, de forma que la mezcla conserve la coherencia. Por eso los neutrinos, que atraviesan la materia casi sin enterarse, son los candidatos ideales.
  • Para que una propiedad pueda cambiar durante el proceso de oscilación tiene que ser una propiedad no protegida por las leyes de la física. Por ejemplo, las oscilaciones no podrían violar la conservación de la energía o la conservación de la carga, porque esas leyes son prerrequisitos para que se produzcan las oscilaciones.
  • La oscilación de neutrinos es un fenómeno muy asentado y entendido en la actualidad, pero algunas de las propiedades de los neutrinos, como el valor exacto de sus masas, aún son desconocidas. Durante la próxima década una nueva generación de experimentos va a tratar de asaltar esos últimos reductos de nuestra ignorancia sobre la física de los neutrinos.

REFERENCIAS