Las partículas más extrañas del universo

Aug 28, 2023

Los neutrinos son extraños y ubicuos y pueden romper las reglas de la física

Son pequeños, casi imperceptibles, y hay 500 billones de ellos atravesándote ahora mismo. Los neutrinos se encuentran entre las creaciones más abundantes pero misteriosas de la naturaleza. El escritor científico James Riordon recientemente se dispuso a enumerar lo que se sabía y lo que se desconocía sobre los neutrinos, y descubrió que la segunda columna era más larga. "Para mí, lo más interesante es cómo sabemos sorprendentemente poco sobre ellos", dice. "Estos definitivamente están aquí y definitivamente son misteriosos. La ciencia emocionante radica en responder estas preguntas".

En el nuevo libro Ghost Particle: In Search of the Elusive and Mysterious Neutrino (MIT Press, 2023), Riordon y su coautor, el físico Alan Chodos, documentan cómo se propusieron y descubrieron por primera vez las partículas sorprendentes y qué han descubierto los científicos. lejos, además de todo lo que esperan entender eventualmente. Debido a sus muchas rarezas, los neutrinos parecen conductos prometedores para responder algunas de nuestras preguntas más importantes: ¿Por qué el universo está hecho de materia y no de antimateria? ¿Qué es la materia oscura? ¿Y puede algo viajar más rápido que la luz?

Scientific American habló con Riordon sobre por qué estos extraños fragmentos de la naturaleza son tan geniales y cómo su propia historia familiar encaja en la historia de los neutrinos.

[Sigue una transcripción editada de la entrevista.]

Así que en realidad tienes una conexión personal con los neutrinos. ¿Qué es?

Soy nieto de uno de los co-descubridores de neutrinos, Clyde Cowan, Jr. Pero falleció cuando yo tenía nueve años. Siempre hubo una mitología en mi familia sobre él, pero no estaba muy claro lo que había hecho. No fue algo que entendí hasta que fui a estudiar física en la universidad. Mi interés se desarrolló más cuando me convertí en un escritor científico y comencé a ver estos interesantes resultados de neutrinos.

Hablé con MIT Press sobre hacer un libro y estaban interesados, pero querían asegurarse de que un experto en el campo escribiera conmigo. Pensé en Alan Chodos, un teórico que piensa fuera de la caja. Ha escrito algunas especulaciones interesantes sobre los neutrinos que están un poco al límite.

¿Cuál de la miríada de preguntas que plantean los neutrinos te intriga más?

Mi misterio favorito es la determinación de si es o no su propia antipartícula. Para mí, creo que esa es la pregunta más grande y dramática sobre los neutrinos. Ese toca la gran pregunta del origen del universo.

Si un neutrino resulta ser su propia antipartícula, podría permitirnos entender por qué el universo está hecho principalmente de materia y no de antimateria. Sabemos que cuando comenzó el universo, tenía que ser un equilibrio perfecto de materia y antimateria. No quedaría nada si toda la materia y la antimateria del universo se hubieran aniquilado. Entonces, un desequilibrio tenía que llegar a alguna parte, y los neutrinos podrían ser una pista sobre la fuente de ese desequilibrio.

Escribes: "La idea misma de los neutrinos fue algo terrible, en palabras de la primera persona que lo imaginó". Wolfgang Pauli propuso los neutrinos en 1930 para explicar por qué parecía faltar energía y cantidad de movimiento en cierto tipo de desintegración de partículas. ¿Por qué la solución de neutrinos fue tan terrible?

Casi parecía un juego de manos. Tenían un problema con la desintegración beta, esta reacción nuclear a la que parecía que le faltaba algo. Entonces, para sentarse y decir: "¿Qué falta? Simplemente raspamos todas esas cosas que faltan y las unimos en una nueva partícula" para responder a la pregunta, se siente como una "historia simple", como "¿Cómo consiguió Leopard sus manchas? Bueno, algn dios antiguo le arroj barro. Claro, es una respuesta. Pero no puedes comprobarlo. Resuelve su problema, pero es insatisfactorio.

Pauli asumió que no podía verificar la respuesta porque él y otros físicos pensaron que los neutrinos serían completamente indetectables. Sin embargo, ahora hemos visto tres tipos diferentes de ellos. ¿Y hay alguna posibilidad de que haya aún más?

En Los Álamos [Laboratorio Nacional de Nuevo México], descubrieron que aparecían demasiados neutrinos en uno de sus experimentos. Una explicación sería que hay otro tipo de neutrino que solo interactúa con otros neutrinos y quizás con algún tipo de materia oscura. Esos se llaman neutrinos estériles. Hay razones para creer que puede haber muchos tipos de neutrinos, pero esa es solo una posibilidad.

La gente esperaba que esta anomalía de Los Álamos desapareciera. Lo estaban probando en otras máquinas en [Fermi National Accelerator Laboratory en Illinois]. Recuerdo haber hablado con la gente de Los Álamos que primero había encontrado lo que parecían ser neutrinos estériles sugerentes, y todos esperaban que no hubiera absolutamente ninguna señal de neutrinos estériles [de la prueba de seguimiento]. En cambio, confirmó su experimento inicial que sugería que había neutrinos estériles. Fue una sorprendente confirmación de algo que casi todo el mundo asumió que era solo un error de medición. La pregunta todavía está abierta, y hay razones para creer en ambos lados: que hay algún tipo de error sistemático al que ambos están sujetos o que la pregunta aún está fuera. Eso espero que sea respondido pronto.

Otro gran misterio es cuánto pesan realmente los neutrinos. Al principio, se predijo que no tendrían masa, pero ahora los científicos saben que deben tener una masa distinta de cero. ¿Cuál es nuestra posición para averiguar cuál es esa masa?

Una de las cosas de las que es realmente divertido hablar con Alan es que KATRIN [un experimento alemán que tiene como objetivo medir la masa de los neutrinos] no dice que los neutrinos tengan una masa positiva pequeña. Dice que tienen una masa pequeña que podría ser una masa positiva o negativa al cuadrado. Eso significa que podrían tener, según la forma en que hacen el experimento, una masa imaginaria, lo que los convertiría en "neutrinos taquiónicos". Esto los haría potencialmente viajar más rápido que la velocidad de la luz o potencialmente retroceder en el tiempo, dependiendo de cómo lo pienses.

Por supuesto, la gente de KATRIN no cree que esa sea una posibilidad, así que simplemente la descartan. Pero todavía hay una pequeña esperanza en la mente de personas como Alan de que tal vez la respuesta sea negativa, aunque solo la incluyan para asegurarse de que sus estadísticas no se arruinen.

Si los neutrinos pudieran viajar más rápido que la luz, ¿no lo sabríamos ya?

Es cierto que habría todo tipo de problemas. Hablé con [el físico] Sheldon Glashow y le pregunté sobre eso. Señaló que si los neutrinos pudieran viajar más rápido que la luz, daría lugar a un gran estallido de radiación, y se desacelerarían rápidamente. Entonces, incluso si pudieran viajar momentáneamente más rápido que la velocidad de la luz, instantáneamente no viajarían más rápido que la luz. Tiendo a creer en la respuesta de Sheldon Glashow. Alan tiene esperanza porque es un teórico y les gusta creer cosas raras. No es algo que nadie, ni siquiera Alan, espera ver seriamente.

Después de hacer toda esta investigación y escribir este libro, ¿cambió lo que sientes por tu abuelo?

Lo hizo. Descubrí que hay una gran cantidad de humor en lo que él y Fred Reines [su colaborador en los experimentos de descubrimiento de neutrinos] hicieron. Tuvieron la audacia de codificar una pequeña broma en el diseño de un tremendo experimento científico.

Su primera idea para buscar neutrinos fue aprovechar las pruebas de armas nucleares que se estaban realizando durante el Proyecto Manhattan en Los Álamos, ¿verdad?

Si te fijas en la propuesta inicial, que de por sí era audaz, iban a poner un detector en un pozo y dejarlo caer al mismo tiempo que estallaba un arma nuclear a unos 40 metros de distancia. Fue un sistema increíblemente complicado de desarrollar. Tuvieron que decidir dónde cavar el pozo. Y optaron por ponerlo a 137 pies de distancia de la torre donde iba a disparar el arma. Lo eligieron porque la constante de estructura fina [una constante fundamental relacionada con la fuerza de la fuerza electromagnética] es 1 ⁄ 137. Pero sabían que eso era demasiado frívolo para ponerlo en la descripción del experimento para su aprobación por Los Alamos, entonces encontraron el equivalente métrico, que era aproximadamente 40 metros. Lo convirtieron en una broma interna.

Luego, cuando tuvieron el experimento que realmente descubrió el neutrino, en Carolina del Sur, pusieron todo este blindaje para ver si podían modular la señal y, junto con el blindaje, una libra de sémola de maíz. Creo que idealicé a mi abuelo como este tipo divertido, y se desarrolló. Puedes ver este sentido del humor y este sentido de la diversión que pasó por esta actividad tan seria que estaban haciendo.

clara moskowitz es editora sénior de Scientific American, donde cubre el espacio y la física. Crédito: Nick Higgins

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Archon Fung, Lawrence Lessig y The Conversation US

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