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Física de partículas

El problema de los neutrinos solares

Observaciones tenaces y pacientes indican que el Sol no emite estas esquivas partículas en la cuantía predicha por las teorías. Esa discrepancia pone en cuestión las explicaciones aceptadas de la física y de la luminosidad solar.

Un ejemplo de colaboración internacional para solucionar el problema de los neutrinos solares es el Experimento de Galio Soviético-Americano (SAGE). En esta instalación soviética, los físicos buscan los neutrinos producidos por las reacciones nucleares que tienen lugar en el interior del Sol. La luz visible de la estrella solo aporta información sobre sus caóticas capas externas. Los neutrinos, sin embargo, pueden atravesar el astro como si fuera transparente. Estas partículas ofrecen una visión única de las condiciones reinantes en el interior solar y sirven de banco de pruebas de las teorías físicas en vigor.

En síntesis

El Sol produce energía debido a las reacciones nucleares de su interior. Tales reacciones deberían generar una ingente cantidad de neutrinos electrónicos. Sin embargo, en la Tierra solo se detecta una pequeña parte de ellos.

Algunos intentos de explicar esta discrepancia pasan por modificar los modelos que describen el funcionamiento interno del Sol. No obstante, tales modelos predicen con enorme éxito las propiedades y la evolución de todo tipo de estrellas.

Otros intentos postulan cambios en las teorías que describen las partículas elementales. Estos van desde considerar posibles interacciones con partículas de materia oscura hasta asignar una pequeña masa a los neutrinos.

Además de luz y calor, el Sol radia grandes cantidades de neutrinos: esquivas partículas subatómicas sin carga eléctrica, de masa casi nula y que se mueven a una velocidad próxima a la de la luz. Ni siquiera les afecta la fuerza nuclear fuerte, la cual mantiene unidos los núcleos de los átomos.

La observación de tales partículas constituye un reto formidable; una dificultad que es, por sí misma, motivo de interés. Dado que interaccionan tan débilmente con la materia, los neutrinos pueden emerger con libertad de lugares de otro modo inaccesibles e informarnos sobre ellos. Uno de esos lugares es el centro del Sol. Y el mensaje que nos traen los neutrinos solares es desconcertante y polémico: algo falla en los modelos actuales del Sol o en nuestra explicación de las leyes de la física. La resolución de ese misterio podría ayudarnos a entender el brillo solar, la evolución de las estrellas y la relación entre las interacciones fundamentales de la naturaleza.

Hasta donde sabemos existen tres tipos, o «sabores», de neutrinos. El más corriente en los experimentos terrestres es el neutrino electrónico, el cual interacciona con los electrones. Los otros dos sabores, el neutrino muónico y el tauónico, interaccionan con los parientes más masivos y de vida corta del electrón: los muones y las partículas tau. Se cree que electrones, muones y partículas tau, junto con sus correspondientes neutrinos, son partículas elementales, los constituyentes básicos de los que está formado el universo.

Los neutrinos solares no pueden atraparse para su estudio, ya que la mayoría de ellos atraviesan directamente la Tierra. Ocasionalmente, sin embargo, un neutrino puede interaccionar con un átomo y dejar una señal observable. Desde 1968 hasta 1986, el único detector de neutrinos solares del mundo fue una elegante instalación experimental alojada en la mina de oro de Homestake, en Dakota del Sur, y dirigida por Raymond DavisJr., por entonces en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Davis llenó un gran tanque con percloroetileno, un fluido para limpiar que contiene cloro. Un neutrino puede interaccionar con el cloro-37 (isótopo estable que constituye una cuarta parte del cloro terrestre) y convertir uno de los neutrones de su núcleo en un protón, con lo que pasa a ser argón-37 (isótopo radiactivo del gas inerte). Cada pocos meses, Davis vaciaba el tanque, separaba químicamente los átomos de argón y los contaba a partir de su radiactividad, a fin de estimar el flujo de neutrinos que habían atravesado el tanque.

El número de reacciones desencadenadas por los neutrinos solares era tan bajo que se definió una nueva unidad para expresarlo: la unidad de neutrino solar (SNU, por sus siglas en inglés), igual a un suceso por segundo por cada 1036 átomos de muestra. Las teorías estándar de las reacciones nucleares que se desarrollan en el Sol predicen que un detector de cloro-37 debería registrar un flujo de 7, 9 ± 2,6 SNU, donde los errores describen la incertidumbre teórica total.

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