Física de partículas

La resolución del problema de los neutrinos solares

El Observatorio de Neutrinos de Sudbury ha despejado un enigma planteado hace 30 años al demostrar que los neutrinos provenientes del Sol cambian de clase en su camino hacia la Tierra.

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En síntesis

Desde los años sesenta, numerosos experimentos han estado detectando muchos menos neutrinos electrónicos procedentes del Sol de los que predice la teoría. Este desacuerdo se conoce como problema de los neutrinos solares.

En 2002, el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) demostró que esa discrepancia se debía a que una gran parte de los neutrinos electrónicos originados en el Sol se transforman en neutrinos de otro tipo antes de llegar a la Tierra.

Los resultados del SNO han confirmado la validez de los modelos solares e implican que, al contrario de lo que se pensaba, los neutrinos sí tienen masa. Ello obligará a modificar en consecuencia el modelo estándar de la física de partículas.

Artículo recomendado por la Fundación Nobel con motivo del premio Nobel de física otorgado en 2015 a Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald por el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos.

Construir un detector del tamaño de un edificio de diez pisos a dos kilómetros de profundidad es una extraña manera de estudiar el Sol. Sin embargo, solo así hemos podido resolver un antiguo enigma relativo a los procesos físicos del interior de esta estrella. Ya en 1920, Arthur Eddington propuso que la energía del Sol procedía de las reacciones de fusión nuclear. Pero los esfuerzos emprendidos hace decenios para confirmar los detalles de esta idea chocaron con un obstáculo: los experimentos diseñados para detectar uno de los productos de dichas reacciones, los neutrinos, solo observaban una fracción de los esperados. En 2002, los resultados del Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO), en Ontario, zanjaron este problema y confirmaron plenamente la propuesta de Eddington.

Como todos los experimentos subterráneos diseñados para estudiar el Sol, el SNO persigue detectar neutrinos, los cuales se producen en grandes cantidades en el núcleo solar. Pero, al contrario que la mayoría de las instalaciones previas, el SNO detecta neutrinos con agua pesada, en la que cada átomo de hidrógeno consta de un neutrón adicional (es decir, se encuentra en forma de deuterio, un isótopo del hidrógeno). Esos neutrones permiten detectar los neutrinos solares de una nueva manera, capaz de identificar los tres tipos, o «sabores», de estas partículas. Gracias a ello, el SNO ha demostrado que el déficit de neutrinos solares observado hasta ahora no se debía a mediciones imprecisas ni a un conocimiento imperfecto de las reacciones del Sol, sino a una nueva propiedad de los neutrinos mismos.

Irónicamente, confirmar nuestra mejor teoría sobre el Sol ha sacado a la luz el primer fallo del modelo estándar de la física de partículas, nuestra mejor teoría sobre los constituyentes fundamentales de la materia. Ahora conocemos el Sol mejor que el universo microscópico.

El problema

El primer experimento sobre neutrinos solares, iniciado en los los años sesenta por Raymond Davis Jr., de la Universidad de Pensilvania, y sus colaboradores, quería ser una triunfante confirmación de que la fusión generaba la energía solar y, al mismo tiempo, el inicio de un nuevo campo, en el que los neutrinos nos harían saber más acerca del Sol. Dicho experimento, localizado en una mina de oro en Dakota del Sur, detectaba neutrinos mediante una técnica radioquímica. Contenía 615toneladas de tetracloroetileno líquido, una sustancia usada para limpiar en seco. Los neutrinos transformaban los átomos de cloro del fluido en átomos de argón. Pero, en vez de producir un átomo de argón al día, como predecían los modelos, Davis observó uno cada 2,5días. (En 2002, Davis compartió el premio Nobel con Masatoshi Koshiba, de la Universidad de Tokio, por sus trabajos pioneros en física de neutrinos.) Los experimentos realizados en los treinta años siguientes hallaron resultados similares, pese a que empleaban una variedad de técnicas diferentes. El número de neutrinos procedentes del Sol siempre era claramente inferior al predicho: en algunos casos 1/3 y en otros 3/5, dependiendo de la energía de los neutrinos estudiados. Sin ninguna pista sobre el origen de semejante diferencia entre las predicciones y las observaciones, los físicos tuvieron que posponer su objetivo original de estudiar el Sol mediante neutrinos.

Mientras continuaban los experimentos sobre estas partículas, los teóricos mejoraron los modelos usados para predecir la cantidad de neutrinos emitidos por el Sol. Aunque tales modelos son complejos, solo parten de unas pocas hipótesis: que la energía del Sol es producida por reacciones nucleares que modifican las abundancias de los elementos; que esa energía genera una presión hacia fuera que se equilibra con la fuerza de la gravedad; y que es transportada hacia el exterior por fotones y fenómenos de convección. Los modelos solares siguieron prediciendo flujos de neutrinos mayores que los medidos. Pero otras predicciones, como el espectro de vibraciones heliosísmicas de la superficie solar, concordaban muy bien con los datos.

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