El amanecer de la
astronomía de neutrinos.
Las vidas de las estrellas.
Es una feliz casualidad que Carl Sagan, en la
introducción a su libro Cosmos en 1980, mencionase la Física de Neutrinos para
ilustrar el continuo progreso científico. Por ello, parece especialmente
apropiado que revisitemos su estado actual en este 40º aniversario. Empecemos
recordando que los neutrinos son unas de las partículas elementales, es decir,
componentes fundamentales de la materia al igual que otras quizás más conocidas
como los electrones o los quarks. En el Cosmos de 1980 se menciona “El Problema
de Los Neutrinos Solares”, esto es, la observación de un número de neutrinos
procedentes del Sol menor que el esperado. Los neutrinos se producen en el Sol
como productos secundarios de las reacciones nucleares de fusión que ocurren en
su interior, y logran escapar gracias a su escasa probabilidad de interaccionar
con otras partículas. Desde mediados de los años 60, físicos de partículas se
propusieron detectar estos neutrinos usando gigantescos detectores para lograr
atrapar algunos, y una vez tras otra obtuvieron resultados mucho más bajos que
los esperados. Sagan menciona posibles explicaciones consideradas en aquella
época como que los neutrinos se desintegraban en su viaje entre el Sol y la
Tierra, o aun más dramática, que vivíamos en una época en la que el Sol había
dejado de fusionar hidrógeno en su núcleo. También menciona brevemente las
propiedades de los neutrinos que a la postre conducirían a la explicación correcta:
la existencia de tres tipos o “sabores” de neutrinos –electrónico, muónico y
tauónico– de los cuales sólo uno de ellos –el electrónico– podía medirse en los
detectores de neutrinos solares de la Tierra, y que los neutrinos, a diferencia
de los fotones, tienen masa.
Hoy
en día sabemos que la solución al Problema de los Neutrinos Solares es un
fenómeno conocido como oscilaciones de neutrinos. El origen de este fenómeno se
debe a que los tipos de neutrinos que se producen son diferentes a los tipos de
neutrinos que se propagan. Esto provoca que neutrinos que se producen con un
cierto “sabor” al cabo de un tiempo se encuentren en una mezcla de varios
“sabores”. Esto es algo chocante de acuerdo a nuestra experiencia cotidiana
pero es algo muy común en Física Cuántica, la física que describe lo muy
pequeño. De hecho, es similar a lo que ocurre en el famoso experimento
imaginario del gato de Schrödinger, en el que el estado de un gato encerrado en
una caja opaca con un dispensador de veneno que depende de la desintegración de
un átomo se encuentra en una superposición del gato vivo y el gato muerto. En
el caso de los neutrinos solares, las reacciones nucleares en el interior del
Sol producen neutrinos electrónicos, pero en su camino hasta la Tierra los
neutrinos se convierten en una mezcla que contiene los tres “sabores” de
neutrinos aproximadamente en partes iguales. Por ello, los detectores que sólo
eran sensibles a neutrinos electrónicos medían números menores a los predichos
por modelos teóricos. Fue necesario aguardar hasta 2002, para que el Sudbury
Neutrino Observatory (SNO) [1], un experimento capaz de detectar los tres
sabores de neutrinos, confirmase que, efectivamente, el número de neutrinos
total coincidía con el valor esperado.
Una
importante consecuencia de la observación de las oscilaciones de neutrinos es
que revela que los neutrinos tienen masa, a diferencia de lo considerado cuando
se estableció el Modelo Estándar, la exitosa teoría que describe las partículas
elementales y sus interacciones. Las oscilaciones de neutrinos sólo pueden
darse si las masas de los neutrinos no son nulas. Este descubrimiento fue
galardonado con el Premio Nobel en Física de 2015, concedido a Arthur McDonald
como líder del experimento SNO, y a Takaaki Kajita, como líder del experimento
Super-Kamiokande [2], otro detector con el que se observó la oscilación de
neutrinos usando neutrinos producidos en la atmósfera por rayos cósmicos.
Podemos
decir que la astronomía de neutrinos nació con la detección de los neutrinos
solares. En 1980, Sagan especulaba con la posibilidad de que en el futuro
seríamos capaces de detectar neutrinos de los hornos nucleares en el interior
de estrellas cercanas. Sin embargo, esto todavía es algo muy lejano debido a
las grandes distancias que nos separan de nuestras estrellas vecinas. No
obstante, la astronomía de neutrinos experimentaría una revolución unos años
después, en 1987, cuando se detectaron neutrinos producidos en la supernova
SN1987A. Estos neutrinos fueron producidos cuando Sanduleak -69 202, una
estrella supergigante azul en la Gran Nube de Magallanes –una de las galaxias
satélites de la Vía Láctea a 168000 años-luz de la Tierra–, colapsó sobre sí
misma. Este tipo de tipo de supernova es conocido como supernova de tipo II, y
ocurre cuando una estrella masiva agota su combustible nuclear de manera que la
presión generada en el núcleo de la estrella es incapaz de contrarrestar el
peso de las capas exteriores. Esto provoca que caigan sobre el núcleo,
comprimiéndolo hasta tal punto que los electrones se combinan con los protones
de los núcleos atómicos, produciendo una gran cantidad de neutrones y neutrinos
electrónicos en forma de estallido. Después del estallido, neutrinos y
antineutrinos de todos los sabores continúan siendo emitidos por la supernova
como modo de enfriamiento. De hecho, el 99% de la energía liberada en la
supernova se emite en forma de neutrinos durante unos diez segundos. La fase
final de la supernova es la creación de una estrella de neutrones o un agujero
negro, en cuyo caso se espera un cese abrupto en la producción de neutrinos.
SN1987A
fue la supernova más cercana desde 1604, y la única por el momento en la que se
han detectados neutrinos en la Tierra. En concreto, se detectaron 25 neutrinos
repartidos en 3 experimentos diferentes. Kamiokande-II e IMB, dos detectores
subterráneos, uno en la mina de Kamioka en Japón y el otro en la mina Fairport
en Estados Unidos, llenos de miles de toneladas de agua e inicialmente
construidos para investigar la posible desintegración de los protones,
detectaron 12 y 8 neutrinos, respectivamente. Otros 5 neutrinos fueron
detectados en Baksan, Rusia, con un detector lleno de centellador orgánico. La
detección de estos neutrinos confirmó la teoría general que describe cómo una
supernova se produce. Desde entonces, los físicos de neutrinos esperan con
expectación la próxima supernova. De hecho, actualmente existe una red de
detectores de neutrinos conocida como Supernova Early Warning System (SNEWS)
[3] que vigila los cielos en espera de la próxima supernova. Debido a la poca
probabilidad de interacción de los neutrinos, se espera que éstos escapen de la estrella moribunda y alcancen la
Tierra antes de que los fotones emitidos por la supernova lo hagan, en una
persecución sobre distancias cósmicas. Esto fue así en 1987, cuando el pulso de
neutrinos atravesó la Tierra unas horas antes de que los primeros fotones de la
explosión fueran visibles.
El remanente de la
supernova 1987A capturado por el Telescopio Espacial Hubble en 2011. Se
observan dos anillos débiles producidos por material estelar y un anillo
central muy brillante rodeando la difunta estrella. Crédito: ESA/Hubble &
NASA.
El
logro más reciente en la astronomía de neutrinos es la detección de neutrinos
procedentes del cuásar TXS 0506+056 situado a 5700 millones de años-luz de la
Tierra. Un cuásar es un núcleo activo de galaxia en el que un agujero negro
supermasivo, cuya masa está en el rango de millones o miles de millones veces
la masa del Sol, está devorando materia. Algunos de estos objetos producen
chorros de partículas, y en ocasiones este chorro apunta en dirección a la
Tierra, lo que se conoce como blázar. Este es el caso de TXS 0506+056. El
22 de septiembre de 2017, el observatorio de neutrinos IceCube [4], un volumen
de hielo de un kilómetro cúbico instrumentado en la Antártida, detectó un
neutrino muónico con una energía veinte veces mayor que la alcanzada en el LHC,
el acelerador de partículas más potente de la Tierra. Tras reconstruir la
dirección del neutrino, se comprobó que apuntaba hacia TXS 0506+056, que además estaba
particularmente activo, emitiendo también en el espectro electromagnético. A
posteriori se encontraron otros neutrinos con menores energías pero mismo
origen en los datos de IceCube de 2014 – 2015.
El
futuro de la astronomía de neutrinos es brillante. La investigación con
neutrinos solares continúa progresando, arrojando más información sobre las
reacciones nucleares en el interior de nuestro Sol y revelando propiedades de
los neutrinos. En la próxima década esperamos contar con dos nuevos detectores,
Hyper-Kamiokande [5] en Japón y DUNE [6] en Estados Unidos, con capacidad para
detectar neutrinos de la próxima supernova cercana con una precisión sin
precedentes, e incluso detectar el fondo de neutrinos producidos por supernovas
pasadas. El detector IceCube continúa operando y hay planes para aumentar sus
capacidades, y detectores similares están siendo instalados en el Mar
Mediterráneo para el proyecto KM3NeT [7]. Quizás el desafío final de la
astronomía de neutrinos sea la detección de los neutrinos generados en el Big
Bang. Al igual que existe un fondo cósmico de fotones que fue emitido cuando el
Universo se volvió transparente a la radiación electromagnética unos 380000
años después del Big Bang, y que debido a la expansión del Universo hoy en día
se observa en el espectro de microondas, existe un fondo cósmico de neutrinos.
Sin embargo, el fondo de neutrinos cósmico es una reliquia mucho más cercana al
propio Big Bang, creado tan sólo un segundo después. La muy baja energía de
estos neutrinos hace su detección extremadamente difícil pero no imposible, y
retornando a la idea inicial: la ciencia no deja de progresar.
Referencias:
Bibliografía:
(1) F. Close, 2010, Neutrino, Oxford, Oxford University
Press.
José I. Crespo-Anadón.
Doctor
en Física.
Investigador del
Programa de Atracción de Talento de la Comunidad de Madrid, Departamento de
Investigación Básica, División de Física Experimental de Altas Energías del
Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas
(CIEMAT), Madrid.
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