Hasta Penny podría comprender el Nobel de Física 2015

Todo comenzó tratando de entender qué es la materia. Cuando se entendieron las propiedades de los elementos químicos nació la tabla periódica de elementos. Luego entendimos que tales elementos están hechos de protones, neutrones y electrones. Más recientemente se descubrió que los protones y los neutrones estaban hechos de quarks, mientras que el electrón no parece estar formado de partes más pequeñas.

El Modelo Estándar de la física de partículas visualiza los componentes fundamentales de la materia en la siguiente tabla:

Esta viene siendo una versión más fundamental de la tabla periódica de la química. La parte que aquí nos interesa es la de los neutrinos. El modelo estándar postula que hay tres tipos de neutrinos: electrónico, muónico y tauónico; y también nos dice que no tienen masa. Es decir que un neutrino debería ser como el fotón, la partícula de luz, que no posee masa. El premio Nobel de física fue otorgado precisamente porque se encontró evidencia que contradice la hipótesis original del Modelo Estándar. Es decir, se verificó que los neutrinos sí poseen masa. ¿Cómo se llega a esta conclusión?

Los neutrinos electrónicos son producidos en las reacciones nucleares en el interior del sol. Aunque cuesta mucho detectarlos, es posible medir la cantidad de neutrinos provenientes de nuestra estrella. El gran misterio era que la detección daba solamente la tercera parte de la cantidad de neutrinos que el sol está produciendo. ¿Qué pasaba con las otras dos terceras partes?

Una de las ideas para explicar la discrepancia era que los neutrinos electrónicos se convertían en muónicos y tauónicos en su camino desde el sol. Estos dos tipos de neutrinos son todavía más difíciles de detectar, por lo que pasaban sin ser notados. De esta forma, sólo veríamos la tercera parte del total. A este fenómeno se le llamó oscilaciones de neutrino. Se llaman oscilaciones porque el neutrino va cambiando su identidad periódicamente.

Esto es un efecto puramente cuántico. Es como el gato de Schrödinger, que está vivo y muerto al mismo tiempo, porque está en una superposición de estados. El efecto cuántico es que cuando veamos al gato, la mitad de las veces lo veremos vivo y la otra mitad lo veremos muerto. Lo mismo sucede con los neutrinos, sólo que en lugar de dos estados (vivo y muerto), el neutrino tiene tres: electrónico, muónico y tauónico.

The Daya Bay Antineutrino Detector.

Entonces resulta que el neutrino es un objeto que en realidad son tres al mismo tiempo. Esta es la magia de la mecánica cuántica.

¿Qué determina cuál de los tres estados del neutrino es el que observamos? La mecánica cuántica también nos dice que las partículas se comportan como ondas. Cada estado del neutrino se describe matemáticamente como una onda, cuya frecuencia está dada por la energía de la partícula. El viaje del neutrino por el espacio genera patrones de interferencia entre las ondas, creando regiones en donde unas veces es más probable ver al neutrino como electrónico, otras como muónico y otras como tauónico.

Utilizando la ecuación de Schrödinger, estas probabilidades se pueden calcular y resulta que depende de la diferencia de energía de cada onda. Todos hemos visto la fórmula E=mc^2, que es la relación entre materia y energía cuando la masa está en reposo. Cuando hay movimiento la fórmula general es

donde “p” denota el momentum o cantidad de movimiento. Un poco de álgebra basta para encontrar que la diferencia de energía entre dos tipos de neutrino depende de la diferencia entre sus masas. Aquí llegamos a la conclusión inevitable: si estamos viendo a los neutrinos oscilar entre sus tres versiones es porque deben poseer masa.

La confirmación experimental de las oscilaciones de neutrinos es profunda pues contradice la hipótesis original del Modelo Estándar de partículas, lo cual implica que la última palabra sobre la naturaleza de la materia aún no se ha pronunciado. ¿Cómo adquiere masa el neutrino?, ¿tiene la masa del neutrino implicaciones en la formación de galaxias?, ¿puede el neutrino ser responsable de la materia oscura? Son algunas de las incógnitas que aún esperan respuesta.