Les partícules fantasma de l’univers

Els neutrins, els «petits neutrals», són únics entre les partícules elementals perquè no es veuen afectats per la força electromagnètica ni per la nuclear, que uneix els quarks per a formar protons i neutrons. Per tant, els neutrins només interactuen mitjançant el que coneixem com a força dèbil i, per descomptat, mitjançant la gravetat, que és fins i tot més dèbil. Wolfgang Pauli va proposar l’existència dels neutrins en 1930 com a explicació per a l’energia perduda en la desintegració beta nuclear i, més avant, va fer un comentari molt conegut en el qual afirmava que havia comès quelcom terrible en postular una partícula que no es podia observar. Igualment conegut és el fet que estava equivocat en aquest aspecte, de la mateixa manera que tantes altres hipòtesis sobre els neutrins van haver de ser revisades, com la suposada falta de massa d’aquesta partícula. De fet, el Premi Nobel de Física de 2015 es va lliurar precisament «pel descobriment de les oscil·lacions de neutrins, que demostra que els neutrins tenen massa», així com el premi Breakthrough en física fonamental de 2016, que es va concedir a cinc experiments que van observar oscil·lacions de neutrins. Aquest terme es refereix al fet que cadascun dels tres tipus, o «sabors», comuns de neutrí es transforma en un altre en propagar-se des del punt de producció (Bilenky, 2010; Gariazzo, Giunti i Laveder, 2016). El neutrí electrònic (v_e), el muon neutrí (v_μ) i el tau neutrí (v_τ) són superposicions quàntiques de tres valors de massa distints, la qual cosa provoca una acumulació de diferències de fase en el camí del neutrí i resulta en el canvi de sabor. Les distàncies necessàries perquè es done la conversió són macroscòpiques, des d’uns pocs quilòmetres a uns milers de quilòmetres, la qual cosa revela que les diferències de massa dels neutrins són ben petites.

Però Pauli tenia raó quan deia que els neutrins són difícils de mesurar. Tots els cossos astrofísics emeten neutrins, però la major font de neutrins al cel és el Sol, que produeix dos neutrins electrònics per cada nucli d’heli creat a partir de la fusió de l’hidrogen, la qual cosa correspon a 66.000 milions de neutrins per cm² i per segon a la seua arribada a la Terra. Si volguérem protegir-nos d’aquesta irradiació, necessitaríem uns quants anys llum de plom. Però el Sol està només a vuit minuts llum: cap material comú que ocupara l’espai entre la Terra i el Sol podria parar els neutrins. Per descomptat, això també significa que són inofensius per a nosaltres.

Els primers neutrins solars es van observar a la mina d’or Homestake, a Dakota del Sud (EUA), en un experiment pioner de Raymond Davis pel qual va rebre el Premi Nobel de Física el 2002. Va utilitzar 600 tones de líquid per a neteja en sec (tetracloroetilè, C₂Cl₄), que és barat i conté una gran quantitat de l’isòtop ³⁷Cl, que en absorbir un neutrí electrònic (v_e) es converteix en ³⁷Ar. Aquests àtoms d’argó, un gas noble, van ser comptats basant-se en la seua desintegració radioactiva. Entre 1968 i 1994 es van comptar un total de 800 v_e solars mitjançant el que es coneix com tècnica radioquímica. L’aparent dèficit (per un factor 3), conegut en aquells dies com el «problema dels neutrins solars», era el primer vestigi de la conversió de sabor. Homestake només podia observar el que sobrevivia del flux solar després de la conversió parcial dels sabors v_μ i v_τ. El 2002, l’Observatori de Neutrins de Sudbury, a Canadà, va informar que havia observat el flux complet mitjançant una nova tècnica que respon de la mateixa manera a tots els sabors.

Homestake va ser un cas pioner de «física subterrània», realitzada en mines profundes o túnels sota les muntanyes per protegir dels raigs còsmics experiments que involucren successos rars quant a la seua probabilitat. A hores d’ara hi ha multitud d’experiments per a la detecció de neutrins i l’estudi de la naturalesa de la matèria fosca que ocupen un gran nombre d’instal·lacions subterrànies en tots els continents. A Espanya, el Laboratori Subterrani de Canfranc (Osca), ubicat en un antic túnel ferroviari als Pirineus, n’és un exemple significatiu. Històricament, els primers exemples van ser Kolar Gold Fields (a l’Índia) i East Rand Proprietary Mine (a Sud-àfrica). Es troben a més de dos quilòmetres davall terra i detecten neutrins produïts pels raigs còsmics d’alta energia en l’atmosfera superior. El primer d’aquests «neutrins atmosfèrics», el primer neutrí detectat a partir d’una font natural, es va quantificar el 23 de febrer de 1965, una dècada després que Frederick Reines i Clyde Cowan detectaren antineutrins electrònics des d’una central nuclear als EUA, un èxit reconegut amb retard amb un Premi Nobel de Física el 1995.

Llig l’article sencer a la web de Mètode.

Georg G. Raffelt.

Què és Mètode?