NEUTRINOS SOLARES

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.

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 hasta1986, 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.

Actualmente se cree que el problema de los neutrinos solares se ha debido a un inapropiada compresión de las propiedades de los neutrinos.

Según el modelo estándar de la física de partículas, existen tres tipos de neutrinos: los neutrinos electrónicos, los neutrinos muónicos y los neutrinos tauónicos.

A mediados de los 70, se creía firmemente que los neutrinos no tenían masa y por tanto su tipo era invariante.

Sin embargo a partir de los 80 los físicos teóricos se dieron cuenta de que si los neutrinos tenían masa entonces podrían cambiar de un tipo a otro. Así pues los neutrinos solares “perdidos” podrían ser neutrinos electrónicos que hubieran cambiado de tipo a lo largo de su viaje a la Tierra y por lo tanto no fueron detectados.

La supernova 1987A proporcionó una evidencia de que los neutrinos podrían tener masa, debido a una diferencia de tiempo de los neutrinos detectados en el Kamiokande y el bajo número de neutrinos detectados contrarios al modelo de la supernova. Sin embargo los datos fueron insuficientes para sacar ninguna conclusión en claro.

La primera evidencia importante de la oscilación de los neutrinos fue en 1998 en el Super-Kamiokande en Japón. Produjo observaciones consistentes con neutrinos muónicos (producidos en las capas altas de la atmósfera por rayos cósmicos) que cambiaban a neutrinos tauónicos.

Realmente lo que se probó fue que pocos neutrinos de los que pasaban atravesando la tierra eran detectados que pudieran ser detectados directamente sobre el detector.

Estas observaciones se refieren a neutrinos muónicos provenientes de la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera terrestre, no se han observado neutrinos tauónicos en el Super-Kamiokande.

Evidencias directas más recientes surgieron en el 2002 del Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) en Canadá.

Se detectaron todos los tipos de neutrinos provenientes del Sol, y fue posible distinguir entre los neutrinos electrónicos y los otros dos tipos.

Después de un exhaustivo análisis se estimó que un 35% de los neutrinos detectados eran electrónicos y el resto eran muónicos o tauónicos. El número total de neutrinos detectados está de acuerdo con las predicciones de la física nuclear, basándose en las reacciones del interior del Sol.