Kajita feliz y McDonald también

La semana pasada se anunció que los ganadores del Premio Nobel de Física 2015 son Takaaki Kajita, del observatorio Super-Kamiokande en Japón y Arthur McDonald, del observatorio Sudbury en Canadá. Ambos comparten el premio por su descubrimiento de un fenómeno sorprendente y crucial de la física de los neutrinos. Estas fantasmales partículas subatómicas resultan muy intrigantes para mucha gente, y su fenomenología estuvo relacionada con un misterio astronómico inquietante, así que voy a contar algo.

Los neutrinos son fantásticamente elusivos: casi no interactúan con el resto de la materia, y por tal razón son increíblemente difíciles de detectar. Atraviesan, como fantasmas, todo lo que se les pone delante. En este mismo instante miles de millones de neutrinos están atravesando cada centímetro cuadrado de tu cuerpo. No te hacen ni cosquillas, y no podés hacer nada para evitarlo. ¿De dónde vienen?

El Sol produce muchísimos neutrinos. Cada reacción nuclear que convierte 4 hidrógenos en un helio en el centro del Sol produce, de yapa, dos neutrinos. El Sol convierte 700 millones de toneladas de hidrógeno en helio cada segundo. Así que produce una pasmosa cantidad de neutrinos. Hagan la cuenta, a mí me da pereza. Pero son miles de millones por centímetro cuadrado por segundo a la distancia que nos encontramos del Sol.

Cuando se construyeron los primeros detectores de neutrinos en la década del 60 se observaron los neutrinos provenientes del Sol, e inmediatamente apareció un problema. Se sabía, por lo que sabemos de cómo funciona el Sol, cuántos neutrinos debía producir. Y se detectó apenas la tercera parte. ¡Un tercio! ¿Dónde estaba el resto? ¿Qué había fallado? ¿Nuestro entendimiento del Sol, o de la física de las partículas elementales? Es difícil transmitirlo en unas pocas líneas, pero realmente era un problema muy serio, y hasta preocupante.

La falta de neutrinos provenientes del centro del Sol, tomada así nomás sin anestesia, significaba que el Sol se estaba apagando. La luz, la radiación electromagnética, que se origina en el centro del Sol tarda unos cien mil años en llegar a la superficie (y 8 minutos después la vemos acá). Pero los neutrinos, en su fantasmal carrera, salen del Sol en un santiamén. Los neutrinos que vemos son fresquitos, recién producidos. Era imaginable que el horno termonuclear se hubiera apagado, y que la luz siguiera brillando un tiempo más. ¿Qué pasaría? ¿Podría realmente apagarse el Sol? Al dejar de fluir la energía que lo mantiene inflado, ¿acaso colapsaría por su propio peso y explotaría como una nova? ¿Dentro de pocos años? Ninguna perspectiva era muy alentadora para nosotros en la Tierra.

Cuarenta años tardó en llegar la solución al problema de los neutrinos solares. Resulta que los neutrinos vienen en tres clases, que los imaginativos físicos de partículas llaman sabores. Pero estos sabores no son chocolate, vainilla y frutilla. Se llaman neutrinos electrónicos, muónicos y tau (¿tauónicos?). Los neutrinos que produce el Sol son de sabor electrónico. Lo que descubrieron en Super-Kamiokande y en Sudbury fue que, en su viaje desde el Sol, los neutrinos oscilan, es decir cambian de sabor. Cuando los detectamos en la Tierra, los electrónicos son apenas un tercio del total. Pero si se cuentan todos los sabores, la producción de neutrinos solares es perfectamente normal. El Sol no va a explotar, todos contentos, Premio Nobel para Kajita y McDonald.

La resolución del problema no deja de ser curiosa desde un punto de vista epistemológico. Básicamente había dos posibilidades: o había un problema con nuestro entendimiento de cómo funciona el Sol (el modelo solar), o con nuestro entendimiento de cómo funcionan las partículas elementales (el modelo estándar). Cualquiera (yo, por ejemplo) hubiera dicho que lo que estaba mal era el modelo solar. Después de todo, el Sol es una cosa gigante, turbulenta, caótica, un lío de mil fenómenos físicos a una multitud de escalas, desde las reacciones nucleares a escala subatómica hasta los terroríficos estrellamotos y las erupciones de la corona. El modelo estándar, por su parte, era un bello edificio matemático construído lógica y primorosamente en base a experimentos bien controlados. Y, sin embargo, resultó que el modelo solar estaba bien, y que el que hubo que modificar era el modelo estándar. De hecho, la modificación no está completa: hay mucho de la física de los neutrinos que todavía ignoramos. Habrá más premios nobeles neutrínicos en el futuro, eso es seguro.

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En Bariloche tenemos a uno de los expertos mundiales en la física de los neutrinos más allá del Modelo Estándar, Esteban Roulet, en el Grupo de Partículas y Campos del Centro Atómico Bariloche. En un review suyo anterior al descubrimiento de la oscilación se analiza la resolución del problema de los neutrinos solares mediante estas oscilaciones. Los neutrinos que cambian de sabor deben tener masa, a diferencia de los del Modelo Estándar, que son completamente sin masa, como los fotones, y por lo tanto viajan a la velocidad de la luz. Hay una especie de relación de incertidumbre masa/sabor. Pero también podrían no tener masa, la verdad que todavía se barajan distintas alternativas para hacerlos encajar en el "nuevo" Modelo Estándar. Sólo los experimentos o las observaciones astrofísicas podrán ir decantando las posibilidades.