El premio Nobel de física que ha demostrado que el sol no se está apagando

Habréis visto estos días que se ha concedido el premio Nobel de Física 2015 a Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald por aportar pruebas, cada uno por su cuenta, de que los neutrinos tienen masa y oscilan.

Bah, yo oscilo de vuelta a casa cada sábado por la noche y no me verás reclamando ningún premio Nobel.

Qué chispa tienes, voz cursiva, pero esta oscilación que se ha descubierto no implica que los neutrinos vayan haciendo “eses” por el cosmos. La “oscilación” significa que un neutrino es capaz de transformarse espontáneamente en cualquiera de los otros dos tipos de neutrino que existen mientras viaja por el espacio.

Eh, eh, te acabas de adelantar muchísimo. Más te vale aclararme primero qué es un neutrino porque esto no me ha aclarado nada. Además, la entrada queda bastante corta de momento.

Tienes razón, voy a llenar toda esta página de paja.

Todos conocemos los protones, los neutrones y los electrones, ¿verdad? Hablo de vez en cuando sobre ellos en este blog y en esta entrada expliqué el papel que juega cada uno de ellos a la hora de formar la materia que nos rodea. Pues, bien, resulta que existen otros tipos de partículas que no se pasan el día encerradas en un átomo.

Uno de ellos son los neutrinos que, como su nombre indica, son partículas con carga eléctrica neutra como los neutrones. Además, como su sufijo italiano indica, su masa es muy, muy pequeña. Para hacernos una idea de lo diminutas que son estas partículas, los electrones son los componentes más ligeros que componen un átomo (sin meternos en rollos subatómicos), con una masa casi 2.000 veces menor que la de los protones o los neutrones que forman el núcleo. Los neutrinos, en comparación, son 500.000 veces menos masivos que los electrones.

Al no tener carga eléctrica, los neutrinos no se ven atraídos hacia otras partículas cargadas como los protones o los electrones. Al mismo tiempo, tampoco les afecta la fuerza nuclear fuerte, que es lo que mantiene unidos los núcleos de los átomos. Esto, unido a su tamaño diminuto comparado con el resto de partículas, les permite atravesar los átomos con una probabilidad bajísima de interaccionar con ellos porque, como ya comentaba en esta otra entrada, el 99,9999999% del volumen de un átomo es espacio vacío.

Existe un ejemplo que ayuda a entender muy bien lo fácilmente que los neutrinos atraviesan la materia: si apuntáramos una linterna que emite neutrinos hacia un muro de plomo de un año luz de espesor, sólo la mitad de las partículas interaccionarían con él y la mitad de los neutrinos emitidos saldrían por el otro extremo del muro. Recuerdo que hablamos de 10 billones de kilómetros de plomo.

No deja de ser curioso pero, sin ofender, ¿por qué debería importarme?

Resulta que esta capacidad que tienen los neutrinos de no interaccionar con nada es muy importante para entender cómo el trabajo de los señores que han ganado el premio Nobel este año nos ha permitido saber que el sol no se está apagando.

Espera… ¿QUÉ? ¿Los científicos pensaban que el sol se está apagando? ¿Y nadie me había dicho nada? 

No te impacientes, voz cursiva. Hagamos un flashback.

La gente siempre se ha preguntado qué es lo que hace que el sol emita luz y a principios del siglo XX se empezó a suponer que las estrellas brillan gracias a las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar en su núcleo (hablaba de este tema más a fondo en este enlace y en este otro). Aún así, nadie había podido demostrar que esto fuera verdad porque… Bueno, porque el núcleo solar está a 150 millones de kilómetros de distancia, enterrado bajo 700.000 kilómetros de plasma incandescente y, como podéis imaginar, no es un lugar al que puedas acercar un momento para ver qué se cuece.

O sea, que la única opción razonable para resolver el enigma era suponer que en el núcleo sí que tenían lugar reacciones de fusión nuclear, calcular qué productos y en qué proporción los estaría generando y luego intentar detectar la presencia de esos productos desde la Tierra. Con esto en mente, los modelos teóricos indicaban que el núcleo del sol debía estar generando unas cantidades concretas de energía cinética, rayos gamma y, por supuesto, neutrinos.

Pero había un problema: no podemos medir directamente ni la energía cinética ni los rayos gamma generados en el núcleo solar porque “se pierden” al interaccionar con el resto de la masa del sol. Mientras se abren paso hacia la superficie, transfieren su energía al plasma solar hasta que toda ella ha sido convertida en luz y calor que, finalmente, son irradiados al espacio en forma de luz y otros tipos de radiación electromagnética miles o incluso millones de años más tarde. Por tanto, no hay manera de diferenciar qué proporción de esa energía emitida corresponde a los rayos gamma o la energía cinética, porque toda termina irradiada de la misma manera.

Pero los neutrinos son otra historia porque, como hemos visto, prácticamente no interaccionan con la materia. Se estima que sólo uno de cada 100.000 millones de neutrinos es detenido o desviado de su trayectoria por la interracción con alguno de los átomos que se encuentra a lo largo de los 700.000 kilómetros que recorre desde el núcleo del sol hasta su superficie. Como, además, se desplazan a una velocidad cercana a la de la luz, los neutrinos salen al espacio pocos segundos tras su formación durante alguna reacción de fusión nuclear y pueden llegar intactos hasta la Tierra en pocos minutos.

Basados en este fenómeno, a dos físicos llamados Raymond Davis Jr y John Bahcall se les ocurrió en la década de 1960 que podrían medir el flujo de neutrinos que llega hasta la Tierra para comprobar si la cantidad que estaban recibiendo se ajustaba a sus predicciones teóricas. Si así era podrían demostrar que, en efecto, son las reacciones de fusión nuclear las que hacen brillar las estrellas.

Para terminar de meter algo más de contexto, hay que tener en cuenta que el modelo estándar de partículas predecía la existencia de tres tipos de neutrinos: los electrón-neutrinos, los tau-neutrinos y los muón-neutrinos. Además, en aquella época, se creía que estas partículas no tenían masa… Y se sabía que las reacciones de fusión nuclear sólo producen electrón-neutrinos. Con esto en mente, Davis y Bachall se pusieron manos a la obra y construyeron un montaje que únicamente detectaría éste tipo neutrinos porque, en teoría, serían los únicos que estaría produciendo el sol.

¿Pero cómo detectas una partícula que no interacciona con nada? ¿Cómo pretendes que interaccione con tu detector? ¿Lo construyes con anti-nada?

No, hombre, no hace falta buscar soluciones absurdas.

Es cierto que un neutrino puede atravesar fácilmente un átomo sin interaccionar con él. Pero si bombardeas un átomo con una cantidad suficiente de neutrinos, al final alguno de ellos terminará estrellándose contra alguna de las partes del átomo y manifestándose, por decirlo de alguna manera. Es un como intentar derribar una mosca a balazos: puedes intentar seguir la mosca con el cañón de una pistola y alcanzarla con la bala o apuntar una escopeta con un cartucho lleno de arena en su dirección aproximada y esperar que algún grano la alcance.

Por suerte para Bachall y Davis, el sol emite una cantidad de neutrinos tan inmensa que cada centímetro cuadrado de nuestro planeta es atravesado por 65.000 millones de neutrinos cada segundo. Basándose en este principio de “hay tantos que, por estadística, alguno terminará estrellándose contra algún átomo y podremos detectarlo“, los científicos llenaron un recipiente cilíndrico de 6 metros de diámetro y 14.6 de longitud con 455.000 litros de tetracloroetileno y lo enterraron en una mina a un kilómetro de profundidad para escudarlo del flujo de partículas más pesadas que bombardean nuestro planeta constantemente.

El método de Davis y Bachall era simple: sabían que, más o menos, un neutrino de cada 100.000 millones interaccionaría con alguno de los átomos de cloro que contenía su detector y que, al hacerlo, lo convertiría en un átomo de argón que, por no tener un número equilibrado de protones y neutrones, sería radiactivo. Cuanto más tiempo esperaran, más neutrinos atravesarían el detector e interaccionarían con el tetracloroetileno. Luego bastaría con medir cómo de radiactivo se había vuelto el líquido para deducir cuántos neutrinos lo habían atravesado. Si el resultado encajaba con sus predicciones, entonces no cabría duda de que las estrellas brillan gracias a la fusión nuclear.

Así que los investigadores dejaron el cilindro “funcionando” durante unos meses y luego volvieron para ver cuánta radiactividad podían medir.

(Fuente)

Y aquí llegaron las sorpresas: la cantidad de neutrinos que midieron era tres veces menor de la que habían predicho. Un resultado extraño pero, por supuesto, tanto la tecnología que habían usado como el conocimiento sobre el interior del sol aún estaban en pañales. Aún así, con los años, pese a que la tecnología y nuestra comprensión sobre el interior del sol avanzaban, las mediciones seguían mostrando un número menor de neutrinos que el que sugerían los modelos teóricos, detectando sólo entre el 30% el 60% de los neutrinos que cabría esperar.

Y eso eran malas noticias.

Como hemos visto, los neutrinos salen del sol pocos segundos después de ser creados y llegan hasta la Tierra unos minutos después, así que los neutrinos nos dan información sobre el estado en el que se encuentra el núcleo solar en el presente. El resto de la energía generada en el núcleo del sol es la que calienta la estrella y, por tanto, determina cuánto brilla. Pero, claro, esta energía tarda miles o millones de años en llegar hasta la superficie solar, donde es emitida en forma de luz. Esto implica que el brillo del sol de hoy refleja cuánta energía producía el núcleo hace mucho tiempo. ¿Veis el problema? El sol estaba brillando como si no pasara nada, pero la cantidad de neutrinos medida sugería que en el presente el núcleo del sol estaba produciendo un tercio de la energía que su brillo sugería. Esto sólo podría significar que el núcleo solar había estado apagándose durante miles o millones de años y que no lo habíamos notado porque la luz aún tenía que llegar hasta la superficie.

¿Seguro que no sería mejor que fuera a comprar todas las bombillas que mis ahorros me permitan, ahora que aún estoy a tiempo?

Calma, voz cursiva. Hoy en día sabemos que esto no es así.

Ahora sabemos que, al contrario de lo que se creía, los neutrinos sí que tienen masa (que por ser tan pequeña había pasado desapercibida) y que, al tener masa, los neutrinos pueden transformarse en cualquiera de sus tres formas posibles mientras viajan por el espacio. Y aquí estaba el fallo de los experimentos que siempre detectaban una cantidad menor de neutrinos de la que predecían los modelos teóricos.

Como las reacciones de fusión nuclear sólo producen electrón-neutrinos, se asumió que serían el único tipo de neutrinos que el sol estaría mandando hacia nosotros y, por tanto, se construyeron aparatos que detectaran únicamente esta forma de neutrinos. Pero, en realidad, la mayoría de esos neutrinos se estaban transformando en cualquiera de sus otras dos formas de camino hacia la Tierra. Por tanto, la discrepancia en los valores que se medían en comparación con los que se habían predicho se debía simplemente a que no se estaban detectando todos los tipos de neutrino posibles y no a que el sol estuviera produciendo menos de los que debería.

Por tanto, el sol no se va a apagar. Y este dato tan revelador se lo debemos al trabajo de Kajita y McDonald (y sus respectivos equipos, por supuesto).

Kajita encontró sus propias evidencias de que los neutrinos tienen masa y oscilan entre distintos estados en 1998 mientras que, en 2001, McDonald usó un nuevo detector para determinar que el 35% de los neutrinos que llegan hasta nosotros son electrón-neutrinos (los que se habían estado detectando hasta el momento) y que el 65% restante eran tau-neutrinos y muón-neutrinos. No pudo distinguir qué porcentaje de cada tipo correspondía a cada uno de estos dos últimos, pero pudo detectar sus interacciones.

Vaya, ¿así que los premios Nobel se pueden dar a la gente por descubrimientos que ha hecho hace años?

Sí, a veces el premio no se entrega hasta que un descubrimiento resulta ampliamente aceptado por la comunidad científica… Y pueden pasar décadas hasta que esto ocurre, pero eso no es lo importante. ¿No te alegras de que el sol no se esté apagando? ¿No te parece fascinante? ¿No estás SALTANDO DE ALEGRÍA?

Pfff… A ver, si tampoco corrimos peligro desde el principio tampoco me parece para tanto. 

Bueno, dado que eres difícil de impresionar, tal vez esto te resulte más interesante…

En septiembre de 2015 publiqué un libro en el que hablo sobre la historia de la astronomía con la editorial Paidós y ahora está disponible en librerías tanto en España como en México y a través de internet por todo el mundo.

Así que, si os apetece saber cómo hemos llegado a conocer todo lo que sabemos hoy en día sobre el universo, podéis hacer click sobre la siguiente imagen del libro, “El universo en una taza de café“, para ir a la entrada donde hablo del libro con más detalle:

40 pensamientos en “El premio Nobel de física que ha demostrado que el sol no se está apagando”

  1. Puesto que los neutrinos tienen masa muy pequeña, viajan cerca de la velocidad de la luz. Por tanto este sería un metodo ideal para “tomar la temperatura” del núcleo central del sol y ver como funciona practicamente en tiempo real. ¿Deja esto de lado la polémica de los neutrinos superlumínicos?

      1. Si, ciertamente me refería a eso. Recuerdo a cierto “experto” en relatividad que entonces vaticinó que por fin se habia descubierto que la relatividad era falsa…

  2. Te sigo hace tiempo. Magnifico blog. Interesante, y creo que apto para muchos niveles e conocimiento. En parte gracias a la voz cursiva.
    Por cierto; Podrías haberte equivocado al omitir lo que marco entre guiones?
    “sugería. Esto sólo podría significar que el núcleo solar había estado apagándose durante miles o millones de años y que -no lo- habíamos notado porque la luz aún tenía que llegar hasta la superficie.”
    Está por ahí antes que voz cursiva diga que va a comprar bombillas.

  3. Te he descubierto hoy (a partir de la promo de Verne, de ElPais, jeje) y no te voy a dejar escapar ;).
    Una corrección, cuando hablas de electrones y protones, dices que no vas a entrar en partículas subatómicas, sin embargo, ellos mismos también son partículas subatómicas. Entiendo que te refieres a los quarks y demás, pero me hizo gracia!

  4. estimado señor pereyra

    Todos los católicos, los científicos, los ateos, los comunistas, los premios nobel, arderán en las llamas del infierno, ese será su castigo que el todopoderoso mandará a las gentes que se dedican a difundir la falsa religión. Dios creó el sol, esta escrito en la biblia, y por lo tanto es una obra perfecta. Aquí, en la tierra consagrada a dios, mi Ecuador, recibimos con regocijo los rayos solares, prueba de la magnificencia de la creación divina.

    Insto a la juventud española que se acerque más a dios y a su verdad escrita en la biblia, no lean la national geographic (obra de satanás).
    Así como los conquistadores españoles nos impusieron su religión violenta y su cultura, ahora queremos desde la américa imponerles la verdad y salvarlos de la condenación. Nos lo agradecerán con el corazón en el futuro apocalíptico descrito en la Biblia

    Saludos y un abrazo Jordi

    1. 1º- “los católicos… arderán en las llamas del infierno, ese será su castigo que el todopoderoso mandará a las gentes que se dedican a difundir la falsa religión.” y luego hablas de la Biblia 😀 😀

      2º- “su religión violenta ” es el catolicismo fundamentalista.

      3º- ¿A que biblia te refieres? porque hay para dar y tomar, la antigua (entre el 900 a. C. y el 100 d. C.), la del concilio de Trento, la del Concilio de Hipona, del Sínodo de Roma, las biblias cristianas ortodoxa, los libros apócrifos…
      Bueno, mejor lo dejo, que como no sabes decir nada serio, mejor no discutir 😉

    1. Una cosa es la muerte de una estrella, el sol morirá cuando acaben sus reservas de hidrogeno, y otra es que una estrella se apague emitiendo menos luz q es a lo que se refiere este artículo

  5. Hola Jordi. Excelente post, muy claro como siempre. Sabes el otro día escuche hablar de las bombas arcoíris y me gustaría saber si tu nos puedes explicar que son. Un saludo

  6. Primero aprovecho para felicitarte, me encanta tu Blog y me dio mucho gusto enterarme de la publicación de tu libro.

    Ahora si, sobre esta entrada me queda una duda,
    Según comentas, los neutrinos viajan a velocidades cercanas a la de luz, ¿podemos estar seguros que no hay ninguna otra reacción de fusión nuclear lo suficiente cerca? o considerando también que los neutrinos pueden viajar largas distancias sin interactuar con nada,
    ¿como saben que no son neutrinos que han viajado durante millones de años desde otra estrella?
    En general mi pregunta es, ¿Como pueden saber que todos los neutrinos detectados provienen solo del Sol?

    Un gran saludo!

  7. Jorgi, quiero comprar tu libro para leerlo en mi kindle. pero vivo en Rep.dominicana y en amazon me dice que no esta disponible para este pais. Tiene fecha? hay otra manera de comprarlo digital?

  8. Muy interesante entrada
    A lo mejor peco de ignorante, pero no me queda claro que es lo que hace que los neutrino cambien su estado aleatoriamente…es puro azar?

  9. Oscilación del neutrino implica crear energía de la nada, ¿es posible?:
    En el Sol: Protón+electrón –) neutrón + neutrino electrónico
    Este neutrino electrónico puede reaccionar con un neutrón y dar la reacción inversa:
    neutrino electrónico + neutrón —) Prótón + electrón
    Pero si fuera cierto que oscila:
    El neutrino electrónico se puede cambiar a muónico y:
    neutrino muónico+ neutrón —–) Protón+muón
    Y como el muón es más pesado que el electrón, se ha creado energía de la nada, ¿es posible?

  10. Jorgi, soy autor de dos obras en “Heliofísica”, hace 10 años tenía la idea que eran los bosones del sol que originan los desastres, en mi segunda obra “Las Tormentas Solares Originan los Desastres en la Tierra” editada en 2010 mencionó que son los rayos de neutrinos los que originan los desastres en la tierra, después de cinco años la ciencia me da la razón, al ser galardonado primero Peter Higgs, en el 2013 con el premio nobel en física y en el 2015 con el premio nobel a kajita, y a Artur en física por los rayos de neutrinos, están reconociendo mi teoría no directamente sino indirectamente.
    “Heliofísica Cuántica” es el término compuesto para exponer la teoría de Peter Higgs, y de Kajita, y Artur,

  11. Qué quieres decir con que El sol no se va a apagar?… Te refieres a que le quedan más años de lo que se esperaba?, o que realmente el sol no se apagará nunca de los jamases?…. Creo que esto no queda muy claro en esta entrada. Nuestra estrella es una más, e imagino que tendrá el mismo ciclo que las demás estrellas…

    O no?!?!

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