Si atraviesan la Tierra sin inmutarse, ¿cómo detectamos los neutrinos?

Los neutrinos se han ganado la fama de ser unas partículas esquivas y huidizas. Fama totalmente justificada. Estas partículas forman parte de la familia de los leptones, que comparten con los electrones. Pero a diferencia de éstos, los neutrinos no tienen carga eléctrica, son neutros, como bien indica su nombre. Otro aspecto de su naturaleza que también indica su nombre es que son muy ligeros, con una masa al menos un millón de veces menor que la del electrón. Ese nombre en diminutivo lo recibieron de Enrico Fermi, un físico italiano que jugó un papel fundamental en su comprensión. 

De entre las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, los neutrinos solo se ven afectados por las dos más débiles: la gravedad, por tener masa, y la fuerza nuclear débil. Las otras dos fuerzas fundamentales, la electromagnética y la nuclear fuerte, no las sienten precisamente por no tener carga eléctrica ni carga de color.

Es por este motivo que son tan esquivos. La gravedad es millones de billones de veces menos intensa que las demás interacciones, por lo que sus efectos son comparables a los del resto solamente cuando se acumulan masas comparables a las de una luna o un planeta. Y la interacción débil, aunque no es mucho más débil que la electromagnética, sí tiene mucho menor alcance. 

La interacción electromagnética tiene un alcance infinito, por lo que dos cargas eléctricas opuestas sentirán atracción electromagnética sin importar la distancia a la que estén. La interacción débil sin embargo solo actúa para distancias diminutas, comparables al tamaño de un protón, por lo que dos partículas deben acercarse a esas distancias para sentir los efectos de esta interacción.

Todo esto hace que un neutrino cualquiera tenga, según los cálculos teóricos, un 50 % de probabilidades de interactuar con alguno de los átomos de una placa de plomo de un año luz de grosor. El cortísimo alcance de la interacción débil también es responsable de que los neutrinos que se forman en el interior de las estrellas puedan salir de ellas apenas unos segundos después de haberse formado. 

En el núcleo del Sol y de cualquier estrella del universo se producen constantemente reacciones de fusión nuclear que transforman cuatro núcleos de hidrógeno, cuatro protones, en un núcleo de helio. Durante este complicado proceso, que requiere de varios pasos intermedios, se forman dos neutrinos muy energéticos por cada núcleo de helio final. Esto se traduce en que trillones y trillones de neutrinos abandonan el Sol cada segundo y que miles de millones de ellos atraviesan cada centímetro cuadrado de tu cuerpo a cada instante. 

La inmensísima mayoría de ellos pasarán sin dejar rastro, pero alguno conseguirá interaccionar. Si lo hacen con tu cuerpo, con una taza de té o el tronco de un árbol, no nos damos cuenta, pero si interaccionan con alguno de los detectores de neutrinos repartidos por el mundo, podemos aprovecharlo para estudiar el Sol u otro proceso astrofísico que los haya formado.

El proceso principal por el que somos capaces de detectar neutrinos se conoce como desintegración beta inversa. La desintegración beta es uno de los procesos por los que un núcleo radiactivo puede descomponerse, liberando energía para llegar a un estado más estable. En estos procesos o bien un neutrón se transforma en un protón, emitiendo un electrón y un antineutrino, o bien un protón se transforma en un neutrón, emitiendo un positrón (la antipartícula del electrón) y un neutrino. Qué proceso ocurrirá dependerá del tipo de núcleo atómico concreto y de qué estado estable le sea más fácil alcanzar.

En un proceso de desintegración beta inverso, el neutrino es absorbido en vez de emitido. Al absorber el neutrino, un protón se transforma en un neutrón, emitiendo un positrón. El positrón rápidamente se aniquilará [Aniquilación materia-antimateria: ¿qué significa realmente?] con un electrón cercano, emitiendo dos fotones de energía muy específica. El neutrón se unirá a un núcleo, emitiendo también un fotón en un rango de energías algo más alto. Detectando estos fotones podemos reconstruir el proceso beta inverso y deducir que hemos detectado un neutrino. Dado lo improbable de este tipo de interacciones, los detectores de neutrinos intentan eliminar cualquier fuente de ruido externo y por eso se construyen a gran profundidad.

El primer experimento diseñado para detectar y contar los neutrinos provenientes del Sol, conocido como experimento Homestake, fue construido en la mina de oro Homestake, en Dakota del Sur, a casi 1500 metros de profundidad. Uno de los experimentos modernos más importantes, que ha dado resultados importantísimos, detectando neutrinos provenientes de supernovas y de los alrededores de un agujero negro supermasivo, es el experimento Ice Cube. Este se encuentra en el polo sur, con miles de detectores enterrados bajo más de un kilómetro de hielo. 

Uno de los detectores de neutrinos europeos, el KM3NeT consiste en tres localizaciones en el mar Mediterráneo, frente a las costas del sur de Francia, de Sicilia, en Italia y de la península del Peloponeso, en Grecia. Estos detectores aprovechan el hecho de que, aunque la interacción de un neutrino individual es inconcebiblemente improbable, al ser atravesados por billones (millones de millones) de ellos cada segundo, antes o después detectarán algún proceso. Estos experimentos no están permitiendo comprender mejor la naturaleza de la segunda partícula más abundante del universo y sobre los procesos astrofísicos que son capaces de crearla.

Referencias: