Algunas de las más extrañas partículas de la naturaleza han hecho que dos investigadores ganen el Premio Nobel de Física 2015. El científico japonés Takaaki Kajita y el investigador canadiense Arthur B. McDonald compartirán el premio de este año por el descubrimiento de que los neutrinos – partículas fundamentales que vienen en tres tipos o sabores– pueden realmente cambiar sus identidades y cambiar de sabor mientras vuelan por el espacio.

Su descubrimiento hecho a inicios de este milenio no solo reveló la extrañeza de estas partículas capaces de cambiar de forma, sino que también contradice el modelo estándar de la física de partículas. En ese momento, los físicos predijeron que los neutrinos pesarían nada en absoluto. No obstante, para que los neutrinos puedan cambiar de sabor, tienen que tener masa. Por lo tanto, Kajita y McDonald demostraron que los neutrinos deben tener una masa muy pequeña, pero mayor a cero. Exactamente cuánta masa tiene cada sabor de neutrino sigue siendo una de las preguntas sin respuesta más importantes de la física actual.

"Los neutrinos son rompecabezas," dijo Olga Botner, miembro del comité Nobel de Física, durante una conferencia de prensa esta mañana. "El Premio Nobel de Física de este año honra a un paso fundamental en el camino para revelar la naturaleza del neutrino". El comité contactó tanto a Kajita como a McDonald temprano esta mañana para darles la noticia de su premio. "Pues resulta que no me molestó", dijo McDonald, refiriéndose a la llamada que lo despertó antes del amanecer. "Sin lugar a duda, es una experiencia intimidante. Afortunadamente tengo muchos colegas que comparten este premio conmigo, en la enorme cantidad de trabajo que han hecho para llevar a cabo esta medida ... Nosotros, por supuesto, estamos muy satisfechos de que hemos sido capaces de añadir al conocimiento del mundo a un nivel muy fundamental". Kajita, quien no pudo participar vía telefónica en la conferencia de prensa, dijo a través de un mensaje pregrabado que la noticia de su premio era "todavía más o menos increíble".

Kajita, profesor en la Universidad de Tokio, condujo el experimento Súper-Kamiokande en Japón, que en 1998 fue el primero en detectar neutrinos que cambiaban de sabor,  un proceso llamado oscilación. Súper-Kamiokande utiliza un gran tanque de agua muy pura para detectar neutrinos que surgen de las interacciones entre los rayos cósmicos de alta energía (partículas cargadas del espacio) y los átomos en la atmósfera de la Tierra. Estas interacciones tienden a producir grandes cantidades de neutrinos del sabor muón (los otros dos sabores son neutrinos electrón y neutrinos tau). Sin embargo, cuando los científicos contaron el número de neutrinos muón que llegaron al Súper-Kamiokande, se encontraron con un número mucho menor de lo esperado. La mejor explicación es que alguna fracción de neutrinos muón entrantes había cambiado a otros sabores en el camino.

El hallazgo fue reforzado en 2001, cuando el equipo detrás del Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) en Canadá, dirigido por McDonald, anunció que habían visto un efecto similar en los neutrinos procedentes del Sol, que produce neutrinos electrón en las reacciones de fusión en su núcleo. SNO utiliza "agua pesada" (en el que el isótopo deuterio reemplaza al hidrógeno "normal") para detectar los tres sabores de neutrinos. Aquí, también, el experimento detectó una mezcla diferente de neutrinos de lo esperado, en este caso, un menor número de neutrinos electrón y mucho más neutrinos tau y muón. Y aquí, también, era lógico que algunos de neutrinos electrón habían oscilado. "Sin duda hubo un momento eureka en este experimento cuando fuimos capaces de ver que los neutrinos parecen cambiar de un tipo a otro en su viaje desde el Sol a la Tierra", dijo McDonald.

Tanto Súper-Kamiokande y SNO tuvieron que superar muchos obstáculos para hacer sus descubrimientos –en particular la dificultad de observar neutrinos que, debido a que tienen muy poca masa y no poseen carga eléctrica, interactúan muy rara vez con los átomos en los detectores. "Estos fueron experimentos épicos, que combinaron cosas de gran escala con delicada sensibilidad",  dijo a la revista Scientific American Frank Wilczek, ganador del premio Nobel e investigador del Instituto de Tecnología de Massachusetts. "¡Los neutrinos son una presa difícil! La historia de este campo de estudio está llena de resultados no concluyentes e incorrectos. Pero los grupos SuperK y Sudbury han producido un trabajo convincente que ha resistido la prueba del tiempo".

Aunque son difíciles de detectar, los neutrinos son extremadamente comunes, solo superados por los fotones (partículas de luz) como la especie más abundante en el espacio. Billones de ellos vuelan a través de nuestros cuerpos en cada momento, pero solo una vez o dos veces en toda la vida (o nunca) van a golpear a un átomo dentro su cuerpo. Incluso si llega a ocurrir, no sentirá nada. Además de ser producidos por los rayos cósmicos, el Sol y otras estrellas, muchos neutrinos fueron creados en el Big Bang. La comprensión de su naturaleza es clave para entender por qué el universo resultó de la manera que es.

De acuerdo con la mecánica cuántica, las partículas, incluyendo los neutrinos, también pueden considerarse como ondas, y la frecuencia de estas ondas depende de la masa de las partículas. Para que las partículas cambien de sabor, deben cambiar de frecuencia, lo que hace necesario que las masas de los tres sabores sea diferente, y por lo tanto distinta a cero.

No obstante, nadie esperaba que los neutrinos tuviesen masa debido a que el mecanismo que explica la masa de la mayoría de las otras partículas –el campo de Higgs, que se asocia con la partícula bosón de Higgs, descubierto en 2012– no se aplica a los neutrinos. La revelación de que los neutrinos sopesan implica que algún mecanismo misterioso, más allá de la física conocida, está ahí afuera esperando a ser descubierto. Una vez que los científicos lo descubran, podrían descubrir que ha tenido otros efectos en la conformación de la evolución del cosmos. "El descubrimiento de que los neutrinos tienen masa tiene profundas consecuencias, no solo para la física de partículas, que apunta a la física más allá del Modelo Estándar, sino también para la astrofísica y la cosmología", dice Botner, quien es la portavoz del experimento de neutrinos IceCube en el Polo Sur. "El descubrimiento de las observaciones de neutrinos ha abierto un nuevo, emocionante y desafiante campo de la física".

 

Kajita y McDonald explicaron sus hallazgos sobre las oscilaciones de neutrinos en "Detección de la masa de los neutrinos" y "La resolución del problema de los neutrinos solares", artículos publicados en 1999 y 2003 en Scientific American e  Investigación y Ciencia y que han sido recomendados por la Fundación Nobel como material didáctico. Con motivo de la concesión del premio, el PDF de ambos artículos podrá descargarse de manera gratuita durante los próximos días.