A cada instante, millones de partículas subatómicas atraviesan el planeta y todo lo que habita en él, sin dejar el más mínimo rastro. Viajan casi a la velocidad de la luz, no tienen carga eléctrica y poseen una masa tan ínfima que durante décadas la ciencia creyó que no existía. Se llaman neutrinos. Pese a ser la segunda partícula elemental más abundantes del universo, superada sólo por los fotones de luz; sus interacciones son tan poco frecuentes que capturar solo uno exige trampas kilométricas y una paciencia estadística casi infinita.
El Premio Nobel de Física de este año reconoció al físico Francis Halzen por idear y liderar el experimento IceCube, un armatoste tecnológico enterrado en el hielo antártico que logró convertir a la naturaleza en una trampa de partículas. El hito científico puso a los neutrinos bajo la lupa nuevamente, pero para comprender por qué obsesionan a la física contemporánea no hace falta viajar al Polo Sur: alcanza con mirar la uña del propio pulgar.
"Del sol tenemos 65 mil millones de neutrinos por segundo atravesando cada centímetro cuadrado de la superficie de la Tierra", explica Lucía Duarte, doctora en Física e investigadora de la Facultad de Ciencias de la Universidad de la Repúbñlica (UdelaR). "Por tu uña del pulgar están pasando cada segundo 65 mil millones de neutrinos que se produjeron en el Sol. Esos sabemos cuántos son, están calculados. Después cada estrella produce sus neutrinos".
Para la física moderna, entender a los neutrinos es como intentar armar un rompecabezas al que le falta una pieza fundamental. Están en todas partes y forman parte de la materia, pero parecen ignorar las reglas "cotidianas" de la naturaleza: no sienten fuerza eléctrica ni la fuerza nuclear que mantiene unidos a los núcleos atómicos. Esa desconexión los convierte en los "fantasmas" del universo.
"Sabemos que los neutrinos —o por ahora creemos— que solo tienen interacción débil", explica Duarte. "Por eso son los más raros, porque no tienen carga eléctrica, no sienten la fuerza fuerte tampoco, porque no tienen una propiedad conocida como color. Son los que tienen menos interacciones pero forman parte de lo que tenemos clasificado como materia. La teoría del modelo estándar de la física de partículas, bueno, no tiene muy claro cómo es que tienen una masa tanto más chica que la del electrón, del muón o del tau".
Esa diferencia en la masa de los neutrinos es uno de los mayores enigmas de la ciencia actual. Durante décadas la teoría asumió que directamente no tenían masa, hasta que los experimentos demostraron que mutan entre sí mientras viajan por el espacio. Ese descubrimiento probó que sí poseen una masa pequeña pero existente, lo que obliga a los físicos a buscar explicaciones más allá de lo concido.
Cazar una onda de choque de luz en el Polo Sur
Un neutrino puede cruzar un bloque sólido de plomo de años luz de espesor sin chocar contra un solo núcleo. Entonces, ¿cómo se atrapa a este "fantasma"? La respuesta está en ser paciente y aguardar el choque fortuito de uno de ellos contra un átomo de la materia.
"Cuando viaja un neutrino con mucha energía y le pega a un electrón de los átomos de la materia con la que está interactuando —eso pasa muy poco porque la interacción es débil, tiene muy poca probabilidad de interactuar— si tiene la suficiente energía, hace que ese electrón salga volando con una velocidad mayor que la que tiene la luz en ese medio. Uno dice, la luz es lo más rápido de todo, pero eso es en el vacío. Cuando la luz está en el hielo, tiene un índice de refracción que frena la luz, y viaja más lento".
Eso fue el proyecto que ideó Francis Halzen: un kilómetro cúbico de hielo en la Antártida, entre 1.500 y 2.500 metros de profundidad, al que le puso más de 5.000 fotosensores. A esa profundidad, la presión aplastó cualquier burbuja de aire, y convirtió al hielo en una masa de pureza cristalina. Además, la capa superior del casquete polar funciona como un escudo natural contra el ruido de otros rayos cósmicos de la superficie.
"El electrón se mueve y va dejando una marca porque va prendiendo los detectores en el hielo" explica Duarte. "Así que ahí podés reconstruir una línea de trayectoria de ese electrón. Con esa trayectoria podés saber de donde vino el neutrino que le pegó. Y el neutrino que le pegó, cuando tienen esa alta energía, es porque viajaron por el espacio casi sin interactuar antes con nada. O sea, la primera interacción que ese neutrino tiene es con ese electrón que está ahí en el hielo".
Ahí está lo novedoso de de IceCube, utilizar la partícula como una herramienta astronómica. La luz proveniente de eventos lejanos suele quedar atrapada por gigantescas nubes de polvo y gas estelar, mientras que las partículas cargadas son desviadas por los campos magnéticos del espacio. Los neutrinos, en cambio, atraviesan el espacio sin ser absorbidos ni sufrir desviaciones magnéticas.
El neutrino que IceCube detecta bajo el hielo antártico realizó allí su primera y única interacción tras haber viajado durante millones o miles de millones de años luz. Funciona como una brújula que señala hacia los eventos más violentos y cataclísmicos del universo: la materia engullida por agujeros negros supermasivos, las explosiones de supernovas o la radiación extrema de púlsares lejanos.
El aporte a la física que se hace en Uruguay
Aunque proyectos como IceCube o el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Ginebra exigen presupuestos e infraestructuras enormes, la física de partículas no es sólo perforar el hielo o construir túneles subterráneos. Requiere, en igual medida, de pizarrones, ecuaciones y simulaciones numéricas capaces de interpretar lo que los datos intentan decir.
Ese es el terreno de la fenomenología de física de partículas, la disciplina en la que trabaja Lucía Duarte en la Facultad de Ciencias de la UdelaR junto a sus estudiantes de posgrado y doctorado. Su rol es actuar como un puente directo entre los teóricos puros y los físicos experimentales.
"Somos como un eslabón en el medio, entre los que inventan las teorías y los experimentos", detalla la investigadora. "A partir de los que inventan las teorías decimos 'bueno, si vos te tomás en serio tal teoría, en tal experimento deberías ver esto'. Y eso es lo que hacemos, calcular las predicciones de las distintas teorías y tratar de ver en qué experimetnos se pueden medir resultados diferentes para descartar unas o ver qué rango de validez pueden tener".
Actualmente, el grupo uruguayo utiliza simulaciones por computadora para explorar modelos teóricos donde los neutrinos podrían ser su propia antipartícula, llamados neutrinos de Majorana, o poseer socios pesados hipotéticos que expliquen la diminuta masa de los neutrinos conocidos. Sus cálculos predicen qué rastros específicos deberían buscar los científicos en las colisiones del LHC o en las observaciones astronómicas de IceCube para confirmar o descartar nuevas teorías.
"Esto existe. Hay un montón de adolescentes que piensan '¿yo puedo hacer esto desde Uruguay?' y sí, se puede", concluye Duarte. "Para mi está buenísimo poder estar haciendo esto desde acá, estamos contribuyendo a esto".
