Las partículas más extrañas del universo

Son pequeños, casi imperceptibles, y hay 500 billones de ellos pasando a través de ti en este momento. Los neutrinos se encuentran entre las creaciones más abundantes pero misteriosas de la naturaleza. El escritor científico James Riordon recientemente se propuso 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 que sabemos sorprendentemente poco sobre ellos”, dice. “Estos definitivamente están aquí y son definitivamente misteriosos. La ciencia apasionante reside en responder estas preguntas”.

en el nuevo libro Partícula fantasma: en busca del esquivo y misterioso neutrino (MIT Press, 2023), Riordon y su coautor, el físico Alan Chodos, documentan cómo se propusieron y descubrieron por primera vez las sorprendentes partículas y lo que los científicos han descubierto hasta ahora, además de todo lo que esperan comprender 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?

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

[An edited transcript of the interview follows.]

Entonces realmente tienes una conexión personal con los neutrinos. ¿Qué es?

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

Hablé con MIT Press sobre la posibilidad de escribir un libro y estaban interesados, pero querían asegurarse de que hubiera un experto en el campo escribiendo conmigo. Pensé en Alan Chodos, un teórico que piensa fuera de lo común. Ha escrito algunas especulaciones interesantes sobre neutrinos que están un poco al límite.

¿Cuál de las innumerables preguntas que plantean los neutrinos te intriga más?

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

Si un neutrino resulta ser su propia antipartícula, podría permitirnos comprender por qué el universo está compuesto principalmente de materia y no de antimateria. Sabemos que cuando el universo comenzó, tenía que haber un equilibrio perfecto entre materia y antimateria. No quedaría materia si toda la materia y la antimateria del universo se hubieran aniquilado. Así que 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 era algo terrible, en palabras de la primera persona que la imaginó”. Wolfgang Pauli propuso los neutrinos en 1930 para explicar por qué parecía faltar energía y momento en cierto tipo de desintegración de partículas. ¿Por qué fue tan terrible la solución de neutrinos?

Casi parecía un juego de manos. Tenían un problema con la desintegración beta, esta reacción nuclear a la que parecía faltarle algo. Entonces sentarse y decir: “¿Qué falta? Simplemente eliminemos todas esas cosas que faltan y juntémoslas en una nueva partícula” para responder a la pregunta, parece una “historia sencilla”, como “¿Cómo consiguió Leopard sus manchas? Bueno, algún dios antiguo le arrojó barro”. Seguro es eso un respuesta. Pero no puedes comprobarlo. Resuelve tu problema, pero no es satisfactorio.

Pauli supuso que no podía comprobar la respuesta porque él y otros físicos pensaban que los neutrinos serían completamente indetectables. Sin embargo, ahora hemos visto tres tipos diferentes de ellos. ¿Y existe la posibilidad de que haya aún más?

En Los Álamos [National Laboratory in New Mexico], descubrieron que aparecían demasiados neutrinos en uno de sus experimentos. Una explicación sería que existe otro tipo de neutrino que sólo interactúa con otros neutrinos y quizás con algún tipo de materia oscura. Se llaman neutrinos estériles. Hay motivos para creer que puede haber muchos tipos de neutrinos, pero eso es sólo una posibilidad.

La gente esperaba que esta anomalía de Los Álamos desapareciera. Lo estaban probando en otras máquinas en [Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois]. Recuerdo haber hablado con la gente de Los Álamos que había encontrado por primera vez lo que parecían ser los sugerentes neutrinos estériles, y todos esperaban que no hubiera absolutamente ninguna señal de neutrinos estériles. [from the follow-up test]. En cambio, confirmó su experimento inicial que sugería que había neutrinos estériles. Fue una sorprendente confirmación de algo que casi todo el mundo asumía que era sólo un error de medición. La cuestión sigue claramente abierta y hay razones para creer a ambas partes: que existe algún tipo de error sistemático al que ambas están sujetas. o que la pregunta aún está abierta. Esperemos que esto sea respondido pronto.

Otro gran misterio es el peso real de los neutrinos. Al principio, se predijo que no tendrían masa, pero ahora los científicos saben que deben tener una masa distinta de cero. ¿Dónde nos encontramos para descubrir cuál es esa masa?

Una de las cosas de las que es realmente divertido hablar con Alan es que KATRIN [a German experiment aiming to measure neutrinos’ mass] No dice que los neutrinos tengan una pequeña masa positiva. Dice que tienen una masa pequeña que podría ser 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 se piense al respecto.

Por supuesto, la gente de KATRIN no cree que esa sea una posibilidad, así que simplemente la descartan. Pero todavía hay una ligera esperanza en la mente de personas como Alan de que tal vez la respuesta sea realmente negativa, a pesar de que sólo la incluyen 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 [physicist] Sheldon Glashow y le preguntó sobre eso. Señaló que si los neutrinos pudieran viajar más rápido que la luz, se produciría una enorme explosión de radiación y se ralentizarían 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 esperanzas porque es un teórico y les gusta creer cosas raras. No es algo que nadie, ni siquiera Alan, espere 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 [his collaborator on the neutrino discovery experiments] hizo. Tuvieron la audacia de codificar un pequeño chiste 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 nos fijamos en la propuesta inicial, que era de por sí audaz, iban a poner un detector en un pozo y dejarlo caer al mismo tiempo que explotaba 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 43 metros de la torre donde iba a disparar el arma. Eligieron eso porque la estructura fina es constante. [a fundamental constant related to the strength of the electromagnetic force] es ¹ ⁄ ₁₃₇. Pero sabían que era demasiado frívolo incluirlo en la descripción del experimento para su aprobación por parte de Los Álamos, por lo que encontraron el equivalente métrico, que era aproximadamente 40 metros. Lo convirtieron en una broma interna.

Luego, cuando realizaron el experimento que realmente descubrió el neutrino, en Carolina del Sur, colocaron todo este blindaje para ver si podían modular la señal y, junto con el blindaje, medio kilo de sémola de maíz. Creo que romantizo a mi abuelo como un tipo divertido, y eso se hizo realidad. Se puede ver este sentido del humor y este sentido de diversión que se transmitía a través de esta actividad tan seria que estaban haciendo.