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Física

El sabor de los neutrinos

Un equipo de la Unicamp se vale de una partícula huidiza para probar una idea de Galileo

SUPER-KAMIOKANDE

Uno de los experimentos más famosos atribuidos a Galileo Galilei -pero posiblemente apócrifo- fue realizado en lo alto de la torre de Pisa. Se soltaron dos balas de cañón de pesos diferentes al mismo tiempo a los efectos de verificar si había diferencia entre la aceleración de una y la de la otra según avanzaban en dirección al suelo. La historia en sí puede no pasar de una leyenda, pero es un hecho que el científico italiano fue el primero que definió que todos los objetos, sin importar su masa, eran afectados de la misma manera por la gravedad. ¿Fin de la historia?

De ninguna manera. Cuatro siglos después, investigadores brasileños decidieron usar lo más moderno en física cuántica -el estudio de unas huidizas partículas llamadas neutrinos- para probar ese mismo fenómeno. Y todavía no han arribado a un veredicto.

Antes que nada, ¿qué significa en términos de la física actual esa antigua constatación galileana? Resumida en lo que se ha dado en llamar principio de equivalencia, implica que la masa inercial (la resistencia de un objeto a cambiar su estado de movimiento, reposo o velocidad constante) y la masa gravitacional (el índice usado para medir la intensidad de la fuerza de gravedad sobre un cuerpo) son exactamente iguales. Parece obvio. Pero no lo es para los científicos que se abocan a esta cuestión. “A decir verdad eso no tenía por qué ser así”, dice Marcelo Guzzo, investigador de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp). “Es una sorpresa que sea de esa manera.”

Para explicar que parece mera coincidencia, el científico plantea el funcionamiento de la fuerza electromagnética. Bajo un campo magnético, una partícula con carga eléctrica puede ser inducida a moverse. Si se la cambia por otra con la misma carga, pero de masa inercial mayor, la aceleración impuesta por el campo magnético disminuye.

Con casi todas las fuerzas de la naturaleza es así: la masa inercial no hace variar la intensidad de la fuerza. La única excepción es la gravedad. El experimento de Galileo demuestra eso de manera rústica. ¿Pero un ensayo más riguroso y preciso preservaría esta conclusión?

Guzzo y sus colaboradores decidieron usar los resultados de experimentos con neutrinos -una de las partículas más difíciles de detectar, producidas en el interior del Sol, de astros más distantes y de reactores nucleares- para probar el principio de equivalencia. Con una masa diminuta, los neutrinos no poseen carga eléctrica y solamente interactúan con el resto del Universo mediante la fuerza nuclear débil y la de la gravedad, las más débiles de las cuatro fuerzas de la naturaleza. Dada la pequeña energía que poseen, es una interacción sumamente sutil.

Para observarlos, los científicos construyen inmensos detectores en minas profundas y los llenan con agua purísima y otros materiales, con la esperanza de que algún neutrino se choque con alguna partícula dentro de ellos y produzca una reacción que pueda detectarse. En 2009, en el marco del experimento japonés Kamland se hizo una constatación importante: se confirmó de manera incuestionable la transformación de un tipo de neutrino en otro, un fenómeno al que los físicos denominan oscilación de sabor.

Esta oscilación está ligada a una loca propiedad de la mecánica cuántica, según la cual una partícula no define un estado específico hasta que se la mide mediante algún proceso de interacción. En la práctica, un neutrino puede tener tres sabores (electrónico, muónico y tauónico) y oscila permanentemente entre ellos hasta que se lo detecta. Los resultados del Kamland demostraron que, dependiendo de la distancia existente entre el detector y la fuente emisora de neutrinos, la proporción de los tres sabores puede variar.

Guzzo y sus colegas confrontaron las mediciones del experimento japonés -y otros realizados en otros lugares del mundo- con las previsiones teóricas, para analizar el efecto de la gravedad sobre la oscilación de los neutrinos. Y descubrieron que puede haber efectivamente una violación del principio de equivalencia. Pero la probabilidad es sumamente pequeña. “Es inferior a una cada 1015 partes, un número que aparece después de la décima cifra decimal”, afirma Guzzo.

Los resultados, presentados a Physical Review D, sugieren que, hasta el límite de precisión observado, la equivalencia entre masa inercial y masa gravitacional se sostiene. Y que Galileo sigue tan en lo cierto como lo estaba en el siglo XVII. Pero no se puede decir que esa correspondencia se mantendrá hasta el límite teórico de lo que puede medirse.

Microagujeros negros
El grupo de la Unicamp también empleó la oscilación de los neutrinos para ensayar otros elementos que están en los cimientos de la física. Uno de los trabajos involucra la llamada decoherencia cuántica, un mecanismo que hace que una partícula pierda la característica de tener todos los estados posibles al mismo tiempo y termine definiéndose por uno de ellos. Al analizar este proceso a la luz de la oscilación de los neutrinos, es posible identificar si algo nuevo o distinto influye en el comportamiento de estas partículas.

La hipótesis más interesante indica que la interacción con miniagujeros negros en el espacio provoca esa decoherencia. Un miniagujero negro es una versión a escala cuántica de los objetos grandes. Mientras que estos últimos son creados por el colapso de estrellas, los primeros serían generados en una región del tamaño de una partícula y durarían fracciones de segundo antes de desaparecer.

La idea de que estas extrañas criaturas cósmicas pueden existir es tomada en serio por los científicos, aunque aún no haya evidencias concretas de que estén efectivamente allí. Al analizar la decoherencia, Guzzo y sus colegas arribaron a la conclusión de que, en efecto, estos miniaguijeros negros pueden existir e influir sobre el comportamiento de los neutrinos. Pero, en caso de que eso esté sucediendo efectivamente, “no pueden ser muy abundantes”, dice el físico de la Unicamp. Asimismo, la probabilidad de que existan no elimina la de que la causa de la decoherencia de los neutrinos pueda ser otra, según este trabajo, publicado online en septiembre en European Physical Journal C. “Puede ser un miniagujero negro”, dice, “pero también puede ser otro fenómeno desconocido”.

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