¿Por qué los físicos están cazando lo más extraño de las partículas fantasma?


Cada segundo de cada día, estás siendo bombardeado por billones y billones de partículas subatómicas, cayendo desde las profundidades del espacio. Soplan a través de ti con la fuerza de un huracán cósmico, disparando casi a la velocidad de la luz. Vienen de todo el cielo, en todo momento del día y de la noche. Penetran el campo magnético de la Tierra y nuestra atmósfera protectora como tanta mantequilla.

Y, sin embargo, el pelo en la parte superior de tu cabeza ni siquiera está arrugado.

¿Que esta pasando?

Estas diminutas balas se llaman neutrinos, un término acuñado en 1934 por el brillante físico Enrico Fermi. La palabra es vagamente italiana para "poco neutral", y su existencia fue hipotetizada para explicar una reacción nuclear muy curiosa. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

A veces los elementos se sienten un poco … inestables. Y si se los deja solos por mucho tiempo, se deshacen y se transforman en otra cosa, algo un poco más ligero en la tabla periódica. Además, un pequeño electrón saldría. Pero en la década de 1920, las observaciones cuidadosas y detalladas de esas desintegraciones encontraron discrepancias pequeñas y persistentes. La energía total al inicio del proceso fue un poquito mayor que la energía que sale. La matemática no cuadraba. Impar.

Entonces, unos pocos físicos inventaron una partícula completamente nueva de tela entera. Algo para llevarse la energía perdida. Algo pequeño, algo ligero, algo sin cargo. Algo que podría pasar desapercibido a través de sus detectores.

Una pequeña, neutral. Un neutrino.

Tomó un par de décadas más para confirmar su existencia, así de resbaladizo, astuto y astuto es. Pero en 1956, los neutrinos se unieron a la creciente familia de partículas conocidas, medidas y confirmadas.

Y entonces las cosas se pusieron raras.

El problema comenzó a gestarse con el descubrimiento del muón, que casualmente ocurrió casi al mismo tiempo que la idea de los neutrinos comenzaba a ganar terreno: los años treinta. El muón es casi exactamente como un electrón. La misma carga. Mismo giro. Pero es diferente de una manera crucial: es más pesado, más de 200 veces más masivo que su hermano, el electrón.

Los muones participan en sus propios tipos particulares de reacciones, pero no tienden a durar mucho. Debido a su impresionante volumen, son muy inestables y se descomponen rápidamente en duchas de bits más pequeños ("rápidamente" aquí significa dentro de un microsegundo o dos).

Eso está muy bien, así que, ¿por qué los muones figuran en la historia de los neutrinos?

Los físicos notaron que las reacciones de descomposición que sugerían la existencia del neutrino siempre tenían un estallido de electrones, y nunca un muón. En otras reacciones, los muones saltarían, y no los electrones. Para explicar estos hallazgos, razonaron que los neutrinos siempre coincidían con los electrones en estas reacciones de desintegración (y no en cualquier otro tipo de neutrino), mientras que en el electrón, el muón debe emparejarse con un tipo de neutrino aún no descubierto. El neutrino amigable con los electrones no podría explicar las observaciones de los eventos de muones. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

Y así siguió la caza. Y en. Y en. No fue hasta 1962 que los físicos finalmente consiguieron un bloqueo en el segundo tipo de neutrino. Originalmente fue apodado el "neutretto", pero las cabezas más racionales prevalecieron con el esquema de llamarlo el muón-neutrino, ya que siempre se emparejaba en reacciones con el muón.

Bien, entonces dos neutrinos confirmados. ¿Tenía la naturaleza más para nosotros? En 1975, los investigadores del Centro de Acelerador Lineal de Stanford examinaron con valentía montañas de datos monótonos para revelar la existencia de un hermano aún más pesado para el electrón ágil y el enorme muón: el enorme tau, que llega a la friolera de 3.500 veces la masa del electrón. . ¡Eso es una gran partícula!

Entonces, inmediatamente, la pregunta se convirtió en: Si hay una familia de tres partículas, el electrón, el muón y el tau … ¿podría haber un tercer neutrino, para aparearse con esta criatura recién descubierta?

Tal vez tal vez no. Tal vez solo estén los dos neutrinos. Tal vez hay cuatro. Tal vez 17. La naturaleza no ha cumplido exactamente con nuestras expectativas antes, así que no hay razón para comenzar ahora.

Al pasar por alto muchos detalles horripilantes, a lo largo de las décadas, los físicos se convencieron a sí mismos utilizando una variedad de experimentos y observaciones de que debería existir un tercer neutrino. Pero no fue hasta el borde del milenio, en 2000, que un experimento diseñado específicamente en Fermilab (llamado humorísticamente el experimento DONUT, para la Observación Directa de la NU Tau, y no, no lo estoy inventando) finalmente consiguió suficientes avistamientos confirmados para reclamar con razón una detección.

Entonces, ¿por qué nos preocupamos tanto por los neutrinos? ¿Por qué los hemos estado persiguiendo durante más de 70 años, desde antes de la Segunda Guerra Mundial hasta la era moderna? ¿Por qué generaciones de científicos han estado tan fascinados por estos pequeños y neutrales?

La razón es que los neutrinos continúan viviendo fuera de nuestras expectativas. Durante mucho tiempo, ni siquiera estábamos seguros de que existieran. Durante mucho tiempo, estuvimos convencidos de que estaban completamente sin masa, hasta que los experimentos descubrieron de manera molesta que debían tener masa. Exactamente "cuánto" sigue siendo un problema moderno. Y los neutrinos tienen este hábito molesto de cambiar de personaje a medida que viajan. Así es, como un neutrino viaja en vuelo, puede cambiar las máscaras entre los tres sabores.

Incluso podría haber un neutrino adicional que no participe en ninguna de las interacciones habituales, algo conocido como el neutrino estéril, que los físicos buscan con avidez.

En otras palabras, los neutrinos desafían continuamente todo lo que sabemos sobre física. Y si hay una cosa que necesitamos, tanto en el pasado como en el futuro, es un buen desafío.

Paul M. Sutter es astrofísico en La universidad estatal de ohio, gran cantidad de Pregúntale a un astronauta y Radio espacial, y autor de Tu lugar en el universo.

Publicado originalmente en Ciencia viva.