En un intento desesperado, Pauli trataba de justificar por qué la ley de conservación de la energía (que determina que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo convertirse de una forma de energía a otra) parecía no cumplirse para algunos elementos radiactivos.

Detectar una partícula diminuta, sin carga eléctrica y muy ligera, que se escapa con parte de la energía, parecía algo imposible entonces. Pauli se equivocaba, aunque lograr la detección del neutrino llevó más de 20 años.

Como si la historia se repitiese, los físicos de partículas se han vuelto a embarcar en la búsqueda de una partícula, esta vez auténticamente indetectable, el neutrino estéril. Se trata de uno de los últimos cabos sueltos para entender el universo: detectarlo permitiría resolver anomalías en experimentos pasados que no tienen cabida en el modelo de neutrinos actual.

Encontrar el neutrino estéril abriría un portal a una parte de la física desconocida donde podríamos hallar respuestas a por qué los neutrinos tienen masas tan pequeñas comparadas con el resto de partículas elementales, qué es la misteriosa materia oscura que constituye un 27% del universo e incluso por qué la materia se impuso a la antimateria tras el Big Bang.

250 investigadores implicados en el SBND

A diferencia de 1930, actualmente detectar neutrinos se ha convertido en algo rutinario, excepto cuando un nuevo detector los observa por primera vez. Es el caso de SBND (las siglas de Short-Baseline Near Detector), el detector cercano del Programa de Neutrinos de Corta Distancia de Fermilab.

Situado a las afueras de Chicago, Fermilab es el principal laboratorio de física de partículas de Estados Unidos. Este verano, SBND detectó sus primeros neutrinos producidos con uno de los aceleradores. Y en unos días, iniciará una campaña intensiva de toma de datos que se extenderá durante 3 años.

El detector cuenta con 112 toneladas de argón líquido enfriado a -186 ⁰C para atrapar unos 7.000 escurridizos neutrinos al día. SBND es uno de los detectores de neutrinos más avanzados que existen, capaz de tomar imágenes digitales de alta resolución para reconstruir las huellas dejadas por el neutrino.

Grupos españoles del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) y de la Universidad de Granada forman parte de la colaboración internacional de 250 personas que se ha encargado de construirlo, y ahora operar y analizar los datos del detector.

En busca del cuarto neutrino

Según el Modelo Estándar, la exitosa teoría que describe los componentes fundamentales de la materia y sus interacciones, existen tres tipos de neutrinos (o sabores, como se conocen en física de partículas). Sin embargo, los neutrinos son invisibles hasta que actúan. Como si se tratase de la escena de un crimen, la única manera que tienen los científicos de deducir quién fue el neutrino culpable es a partir de las pistas dejadas, que deben analizarse con extrema atención.

La misión de SBND va más allá de detectar neutrinos del Modelo Estándar: está diseñado para investigar la existencia del neutrino estéril, un cuarto neutrino que no interaccionaría con nada y, por tanto, irrastreable.

¿Cómo detectar lo indetectable?

Los neutrinos no sólo son extremadamente discretos, también son partículas mutantes. Al igual que ocurre con el popular gato de Schrödinger, que existiría en un estado de vida y muerte simultáneamente cuando no es observado, la mecánica cuántica permite que los neutrinos se vuelvan indefinidos en su viaje. Pueden cambiar de sabor en un fenómeno conocido como oscilaciones de neutrinos.

Precisamente, el descubrimiento de estas oscilaciones fue galardonado con el Premio Nobel en Física de 2015.

Las anomalías

En el último cuarto de siglo se han medido las oscilaciones de los tres neutrinos en experimentos de creciente precisión. Sin embargo, algunos experimentos en aceleradores detectaron más neutrinos de los esperados. En otros experimentos con neutrinos producidos por intensas fuentes radiactivas se han encontrado déficits. La acumulación de anomalías llevó a algunos grupos a postular un neutrino adicional e inerte para explicar las discrepancias.

Si existe este cuarto neutrino estéril, participaría en las mutaciones que sufren estas partículas, alterando el número de neutrinos que permanecen en los otros tres sabores del modelo estándar. Por ello, contando cuántos neutrinos hay de cada sabor que sí interaccionan con la materia se puede deducir indirectamente la existencia de un cuarto neutrino que no interactúa con nada.

El hábitat de los neutrinos estériles ha sido explorado en los últimos años por otros experimentos que salieron en su caza y encontraron un buen acuerdo entre los números de neutrinos que detectaron y los esperados para el Modelo Estándar de tres neutrinos, confirmando una vez más el poder de esta teoría.

Sin embargo, hasta ahora tampoco ha sido posible descartar su existencia, porque siempre ha quedado un reducto inexplorado en el que pudieran esconderse.

SBND, junto a otro detector hermano conocido como ICARUS, van a cambiar eso. Por primera vez, los neutrinos se contarán con gran precisión al inicio de su viaje en SBND, y se volverán a contar en ICARUS tras recorrer cientos de metros.

Cuando SBND e ICARUS comparen sus números de neutrinos detectados, seremos capaces de determinar si encajan o si hay una discrepancia debida al cuarto neutrino.

Como es habitual en física de neutrinos, habrá que esperar unos años hasta obtener un resultado fiable. Pero la caza promete ser apasionante.

José Ignacio Crespo Anadón, Físico de partículas trabajando en los experimentos de neutrinos SBND, MicroBooNE y DUNE, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.