Así son las "trampas" experimentales para cazar a los fantasmagóricos neutrinos
La versión original de este artículo apareció en la revista Quanta Magazine.
Hace setenta años, los físicos Clyde Cowan y Frederick Reines tomaron un detector de 10 toneladas fabricado a medida, lo rodearon con gruesas paredes de plomo y sacos de arena húmedos, y lo colocaron cerca de un potente reactor nuclear en la planta de Savannah River en Carolina del Sur. Llamaron al experimento "Proyecto Poltergeist", ya que estaba diseñado para atrapar un fantasma.
Más de un cuarto de siglo antes, los físicos se preguntaban por qué parecía perderse energía durante un proceso radiactivo llamado desintegración beta. Algo faltaba, y no existía una explicación física conocida para ello. Entonces, en 1930, el físico austriaco Wolfgang Pauli propuso una solución radical: una partícula prácticamente indetectable se llevaba silenciosamente la energía faltante. "He hecho algo terrible. He postulado una partícula que no se puede detectar", le dijo Pauli a un amigo. Esta partícula se conocería como neutrino. Al no tener casi masa ni carga, estas partículas pueden atravesar la Tierra y todo lo que hay en ella, incluidos nuestros cuerpos, prácticamente sin impedimentos.
El enorme dispositivo que Cowan y Reines desplegaron a principios de 1956 tenía como objetivo encontrar lo que Pauli consideraba imposible. Ese junio, los dos físicos del Laboratorio Nacional de Los Alamos enviaron un telegrama a Pauli: "Nos complace informarles que hemos detectado neutrinos".
La atención se centró entonces en una cuestión más amplia. Si las reacciones nucleares producen neutrinos, ¿podríamos utilizarlos para observar los fuegos artificiales nucleares en el interior de las estrellas, incluido el Sol? Esto planteaba un enorme desafío: ¿Cómo es posible detectar partículas provenientes de estrellas distantes si estas pueden atravesar casi cualquier cosa sin ser detectadas? Se sospechaba que detectar una partícula que rara vez colisiona con la materia requiere una enorme cantidad de la misma con la que colisionar. Además, la materia tendría que estar protegida de otras formas de radiación. Así pues, la solución que encontraron los científicos fue construir algunas de las trampas experimentales más grandes, profundas y sofisticadas de la historia de la ciencia… y luego esperar.
En la década de 1960, Raymond Davis Jr. y sus colegas del Laboratorio Nacional de Brookhaven colocaron un tanque a 1.5 kilómetros bajo tierra en la mina Homestake, en Dakota del Sur, y lo llenaron con casi 400,000 litros de un fluido de limpieza a base de cloro llamado percloroetileno. En las raras ocasiones en que un neutrino que pasaba cerca impactaba contra un núcleo de cloro, se transformaba en una forma radiactiva de argón que podía detectarse y cuantificarse. El experimento, que duró 25 años, halló apenas un tercio del número de neutrinos provenientes del Sol que se había predicho en los modelos teóricos. Esto se conoció como el problema de los neutrinos solares.
Pasaron décadas antes de que se resolviera, gracias a experimentos aún más complejos. En las profundidades de la mina Kamioka, en Japón, Masatoshi Koshiba construyó un detector diferente llamado Kamiokande, que utilizaba 3 millones de litros de agua ultrapura. En este sistema, los neutrinos interactúan ocasionalmente con los núcleos atómicos del agua. Esta interacción crea un electrón que se mueve tan rápido que genera un destello de lo que se conoce como luz Cherenkov. Esta luz es captada por detectores.
Kamiokande y Koshiba confirmaron la deficiencia de Davis, y un segundo detector, aún más grande, el Super-Kamiokande, así como el Observatorio de Neutrinos de Sudbury en Canadá, explicaron la discrepancia. Los neutrinos se presentan en tres "sabores" diferentes (electrón, muón y tau) y pueden oscilar, o cambiar, entre ellos. Para ello, los neutrinos deben tener masa, algo que las leyes de la física no lograron predecir. Los sabores son una forma de referirse a tipos o variedades de una misma partícula.
Los detectores de neutrinos más recientes continúan esa tradición de grandes ambiciones y resultados sorprendentes. El Observatorio de Neutrinos IceCube, situado bajo la Estación Amundsen-Scott del Polo Sur, utiliza el hielo antártico en lugar de agua para detectar estas partículas. Gracias a sus observaciones, los científicos han elaborado un mapa de la Vía Láctea compuesto únicamente por neutrinos y han rastreado algunas de estas partículas cósmicas de alta energía hasta galaxias activas alimentadas por agujeros negros supermasivos. En el fondo del mar Mediterráneo se encuentra KM3NeT, el Telescopio de Neutrinos del Kilómetro Cúbico, que detectó el neutrino cósmico de mayor energía registrado hasta la fecha. Su origen aún se desconoce.
Las oscilaciones de neutrinos y los numerosos misterios que plantean han impulsado una nueva generación de detectores. El Observatorio Subterráneo de Neutrinos de Jiangmen, en China (JUNO), comenzó a operar en 2025 y, en junio de 2026, publicó mediciones de oscilación de neutrinos con una precisión sin precedentes. También se espera que el Hyper-Kamiokande de Japón (Hyper-K) y el Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo de Estados Unidos (DUNE) comiencen a operar hacia finales de esta década.
Gracias a estos y otros experimentos audaces, la partícula que Pauli estaba seguro de que jamás podría ser capturada ha ido revelando poco a poco sus secretos. La fórmula para el descubrimiento no ha cambiado en siete décadas: pensar en grande, profundizar y tener paciencia.
Observatorio Kamioka, ICRR, Universidad de Tokio/NHK Enterprises, Inc.
Las instalaciones de Super-Kamiokande en Japón tienen 12 pisos de altura y están repletas de detectores capaces de detectar los destellos de luz producidos por las interacciones de neutrinos. Normalmente se llenan con agua ultrapura; esta imagen fue tomada durante tareas de mantenimiento.
Colaboración Super-Kamiokande/Biblioteca fotográfica científica
Colaboración Super-Kamiokande/Biblioteca fotográfica científica
Las distintas variedades de neutrinos que atraviesan el detector Super-Kamiokande crean patrones característicos en las paredes de los detectores. Aquí vemos las huellas de un neutrino muónico (izquierda) y un neutrino electrónico (derecha): dos de las partículas fundamentales del Modelo Estándar de la física de partículas.
SNO
SNO
Ubicado a 2,1 kilómetros bajo tierra en la mina Creighton en Ontario, Canadá, el detector del Observatorio de Neutrinos de Sudbury (izquierda) estaba lleno de agua pesada, que contiene deuterio en lugar de átomos de hidrógeno. Sus hallazgos proporcionaron evidencia de que los neutrinos pueden cambiar, u "oscilar", entre diferentes tipos. A la derecha se muestra una vista panorámica del interior del detector, en cuyo centro se encuentra una esfera acrílica de 12 metros de diámetro que contiene 1,000 toneladas de agua pesada ultrapura.
Volker Steger/Biblioteca fotográfica científica
El SNO+ sucedió al Observatorio de Neutrinos de Sudbury en la mina Creighton y reutilizó parte del equipo de su predecesor. Sin embargo, en lugar de agua pesada, se llenó con alquilbenceno lineal (LAB), que se utiliza comercialmente para fabricar jabón líquido. El LAB produce señales 50 veces más brillantes que las producidas por el agua pesada. Colgando de la parte superior se encuentra el director del experimento, Art McDonald.
Volker Steger/Biblioteca fotográfica científica
El detector de neutrinos Borexino, enterrado cerca de Abruzzo, Italia, en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, proporcionó la primera evidencia directa de que el Sol fusiona hidrógeno en helio de más de una manera. Arriba, un investigador revisa un tubo fotomultiplicador, que amplifica la luz generada por las interacciones de los neutrinos.
Jim Haugen, IceCube/NSF
Mark Krasberg, IceCube/NSF
Estos módulos ópticos digitales (DOM), del tamaño de una pelota de baloncesto, son los sensores principales del Observatorio de Neutrinos IceCube en el Polo Sur. Los científicos ensartaron más de 5,000 DOM en cables como si fueran perlas en un collar y luego utilizaron chorros de agua caliente para enterrarlos a una profundidad de hasta 2.5 kilómetros bajo el hielo antártico. En este caso, el hielo cumple la misma función que el líquido en otros detectores: una colisión de neutrinos crea un electrón de alta velocidad, y el destello resultante es detectado por los DOM.
IceCube
Esta visualización de datos muestra un neutrino propagándose a través de las cadenas enterradas de DOM en el Observatorio de Neutrinos IceCube. El evento, ocurrido en 2010, corresponde a un neutrino de alta energía generado por fuentes dentro de la Vía Láctea. El tamaño de cada esfera corresponde al brillo de la señal detectada por cada DOM, y los colores indican el tiempo de llegada: rojo para el primero y azul para el último.
KM3NET
El personal está desplegando monitores ópticos digitales para el detector de neutrinos submarino KM3NET, que aún se encuentra en construcción. Cerca de 200,000 sensores ópticos se anclarán al fondo del mar Mediterráneo a una profundidad de unos 3,500 metros frente a la costa de Sicilia, así como en una segunda instalación más pequeña cerca de Toulon, Francia. Los sensores detectarán la luz Cherenkov generada por las partículas secundarias producidas por las interacciones de los neutrinos con el agua o las rocas circundantes.
Xinhua
El Observatorio Subterráneo de Neutrinos de Jiangmen (JUNO) de China, que se muestra aquí en construcción en 2023, es actualmente el detector de neutrinos más grande del mundo. Comenzó a recopilar datos en agosto de 2025; uno de sus principales objetivos es descifrar el misterio aún sin resolver de la masa de cada tipo de neutrino.
Matthew Kapust, Instalación de Investigación Subterránea de Sanford.
Maximilien Brice/CERN
El experimento Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) generará billones de neutrinos y los enviará a 1,300 kilómetros de profundidad para estudiarlos al interactuar con dos detectores: uno cercano, situado a 60 metros bajo tierra en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, y otro lejano, a 1.5 kilómetros de la superficie, en el Centro de Investigación Subterránea Sanford en Lead, Dakota del Sur (izquierda). Prototipos a menor escala de los detectores (derecha), denominados ProtoDUNE, se están probando en el CERN, el laboratorio de física de partículas ubicado en la frontera entre Suiza y Francia.
Artículo original reproducido con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia mediante la cobertura de los avances y tendencias de la investigación en matemáticas y en las ciencias físicas y biológicas. Adaptado por Alondra Flores.