Modelos teóricos para predecir el comportamiento de los neutrinos

En el país existe un grupo de investigadores mexicanos especializados en física de neutrinos, ya sea teóricos o experimentales, que están formando a estudiantes con proyectos internacionales y vinculándolos con laboratorios como el High Energy Accelerator Research Organization, conocido como KEK, un laboratorio japonés de reactores nucleares relacionado con el Super-Kamiokande, dirigido por Takaaki Kajita, ganador en 2015 del Premio Nobel de Física, destacó Alfredo Aranda Fernández, del Centro Universitario de Investigación en Ciencias Básicas de la Universidad de Colima (UdeC).

Aranda informó que “en esas colaboraciones que hemos tratado de entablar con los colegas japoneses, he tenido oportunidad de conversar con los doctores Kajita y Masanori Yamauchi, director general del KEK, donde hay un acelerador que produce neutrinos que se envían al detector de Super-Kamiokande. Nuestra intención es que la UdeC cree un grupo experimental que trabaje en el KEK”.

Al abundar sobre las colaboraciones de estudiantes mexicanos en proyectos internacionales, señaló dos más en Estados Unidos, el DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), que  arrancará en 2025 al sur de Dakota, y NOvA (Neutrino Experiment) en Batavia, Illinois, en donde, por ejemplo, se encuentra realizando su doctorado un egresado de la UdeC, José Andrés Sepúlveda Quiroz.

Aranda Fernández fue entrevistado por la Academia Mexicana de Ciencias (AMC) para hablar sobre las aportaciones que hacen los mexicanos en el campo de los neutrinos, tema por el que fueron distinguidos con el Nobel de Física este año el japonés Kajita y el canadiense Arthur McDonald, “por el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, lo que demuestra que los neutrinos tienen masa”.

El coordinador general de Investigación Científica de la UdeC estimó que en el país existe una docena de investigadores que trabajan con neutrinos, “quienes estudian por qué existen tres tipos diferentes de neutrinos: electrónicos, tauónicos y muónicos, y cómo es que estos cambian y se transforman de camino a la Tierra”.

Cazadores de fantasmas

Los neutrinos son parte de las 12 partículas esenciales que conforman la materia en el Universo, de las cuales seis son quarks y seis son leptones, los neutrinos forman parte del segundo grupo. Los neutrinos son partículas muy esquivas pues a pesar de ser muy abundantes —en un cm² llegan a la Tierra unos cien mil millones de neutrinos producidos por el Sol cada segundo— no interaccionan con otras partículas; es decir, con la materia, por eso son tan difíciles de observar, y su masa es casi igual a cero, de ahí que algunos físicos de partículas les hayan denominado “partículas fantasma”.

Son muy abundantes porque están presentes en diferentes procesos que ocurren en el Universo: en las reacciones nucleares al interior de las estrellas cuando se fusionan dos átomos y generan uno más pesado; en la explosión de supernovas, las estrellas que están en proceso de morir; cuando los rayos cósmicos (protones, principalmente) chocan con los núcleos de los átomos que hay en la atmósfera de la Tierra, generando neutrinos; y en los reactores nucleares que han construido los seres humanos, especifica Aranda.

En particular, el integrante de la AMC trata de explicar teóricamente el valor que tienen las masas de estos tres tipos de neutrinos, y para ello “utilizamos nuestras teorías matemáticas, postulamos mecanismos, leyes o esquemas que nos permitan entender por qué los neutrinos tienen las masas que tienen, con los valores que tienen. Tenemos que estar en contacto muy cercano con los físicos experimentales porque lo que uno tiene que hacer es generar esquemas predictivos para que luego ellos busquen las coincidencias”.

Los cambios de tipo de esas partículas elementales se conocen técnicamente como oscilaciones de neutrinos y tienen explicación bajo la mecánica cuántica. Aranda utiliza el modelo matemático “Teoría de grupos”,  “el cual consiste en analizar las simetrías que existen en la naturaleza para entender si estas son responsables de los patrones tan raros que se observan en las masas”, señaló.

Las oscilaciones de los neutrinos se han caracterizado como si fueran los tres ángulos de rotaciones en un espacio de tres dimensiones (por ejemplo, un triángulo) y cada uno de los ángulos indica cómo se mezclan entre sí los tres neutrinos. Bajo los valores de esos ángulos se trata de explicar en qué momento un neutrino pasa de ser electrónico a tauónico, por ejemplo; y por qué su masa es tan cercana a cero.

En un artículo que se encuentra en revisión para la revista Physics Letters B, Aranda junto con Eduardo Peinado, investigador del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México, proponen un nuevo mecanismo para la generación de masas de neutrinos con la existencia de más partículas como la de Higgs, llamadas genéricamente escalares.

“Las partículas de adicionales, parecidas al Higgs en algunas de sus propiedades, de alguna manera se ponen de acuerdo para acomodarse y hacer muy ligerito al neutrino, a través de algo que se llama correcciones cuánticas o radiativas. En nuestro mecanismo, de entrada los neutrinos no tendrían masa y serían estas combinaciones muy particulares de los escalares las que harían un convenio entre ellos para darle una poquita de masa de manera muy natural”.

Sobre los galardonados con el Nobel de Física 2015

El Premio Nobel de Física 2015 se otorgó a los dos físicos por determinar que los neutrinos cambian de tipo durante sus trayectorias, es decir, que oscilan, lo que implica que tienen masa. Para atraparlos construyeron laboratorios subterráneos como el Super-Kamiokande, el observatorio de neutrinos que encuentra a un kilómetro de profundidad al interior de la montaña Kamioka y que consiste en un cilindro de 40 metros de diámetro por 40 metros de altura al que llenaron con 50 mil toneladas de agua pura. En este laboratorio subterráneo fue donde detectaron neutrinos que se generan en la atmósfera terrestre.

Aranda señaló que en ese sitio se “detectan solo algunos cientos de neutrinos al año; prácticamente no interaccionan con nada, son tan inertes que necesitamos construir estos tanques y ponerlos en un lugar donde prácticamente ninguna partícula llegue para capturar a algunos al año. Son experimentos impresionantes con una capacidad tecnológica difícil incluso de concebir. Son proezas extraordinarias”.

En el caso del canadiense Arthur McDonald con el Sudbury Neutrino Observatory Laboratory, ubicado en una mina a dos kilómetros de profundidad en Ontario, se detectaron neutrinos que provienen del Sol y los resultados fueron similares a los del laboratorio japonés: solo llegaban unos cuantos neutrinos, y la respuesta es que los neutrinos cambian de tipo en su camino a la Tierra. Para ello utilizaron un tanque de agua al que introdujeron ‘agua pesada’ con isótopos de deuterio en reemplazo del hidrógeno normal para que alguno de los neutrinos colisionara con un protón del agua; en el intercambio de energía se crea un positrón, la prueba fehaciente de la detección de un neutrino. Estas partículas, al igual que otras, se detectan indirectamente.

Los neutrinos, en opinión Alfredo Aranda, seguirán siendo tema en las noticias científicas, ya que podrían ser utilizados en telecomunicaciones para la transmisión de información encriptada y también podrían dar imágenes muy recientes del núcleo del Sol.

“La luz que se produce en el núcleo del Sol tarda cientos de miles de años en llegar a la superficie porque es absorbida y remitida. Sin embargo, en las reacciones nucleares de su centro se emiten neutrinos sin que nada los moleste, si somos capaces de atrapar algunos en la Tierra, estaríamos viendo cómo era el interior del Sol hace ocho minutos, el tiempo que tardan en llegar a la Tierra”, sostuvo.