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

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…