Historias de la Ciencia

Los neutrones libres son inestables. Aunque pueda parecer sorprendente, tienen una semivida de 15 minutos. ¿Qué importancia puede tener eso? ¿Cómo es posible que los neutrones sean inestables y, sin embargo, existan de forma estable dentro de los núcleos atómicos?

Respecto la importancia de esos 15 minutos de semivida es decisiva para la vida tal como la conocemos. Al no tener carga eléctrica pueden moverse mucho más fácilmente que los protones. Si no fuera por ello podríamos llegar a tener una gran cantidad de neutrones que interaccionaría con el hombre alterando los elementos químicos de los que estamos compuestos, inducirían reacciones nucleares cambiando los átomos allí contenidos. En resumen: mutaciones, cáncer, etc. Respecto la segunda cuestión, la estabilidad dentro de los núcleos, tiene explicación gracias al Principio de Exclusión de Pauli que dejaremos para otra historia.

El neutrón fue descubierto por James Chadwick el año 1932. Es muy parecido al protón en masa. De hecho, tiene 1,00014 veces la del protón. Nuclearmente los neutrones y los protones son muy parecidos. Los físicos llaman a ambas partículas nucleones.

Pues bien, pasados esos 15 minutos de semivida y en virtud de la fuerza débil, llamada así por ser mucho más débil que la electromagnética, decae en un protón, un electrón y un neutrino (no es exactamente así, pero por el momento, podemos obviar el detalle). La fuerza débil tiene un alcance del orden de 10^-16 cm, o sea, una alcance 1000 veces más pequeño que la fuerza nuclear fuerte que es del orden de 10^-13 cm. A este proceso se le llama desintegración beta.

Cuando se empezó a estudiar la radiactividad, este fenómeno se estudiaba en los interiores de los núcleos y desde fuera detectaban ese electrón saliente. Sin embargo, había una cosa que no cuadraba. En la desintegración alfa, las partículas que se desprendían tenían energías muy bien definidas, pero en la desintegración beta las energías de esos electrones tenían valores muy dispares. Además de dicha disparidad, las ecuaciones decían que faltaba un montón de energía que no se sabía dónde iba. Si todas las reacciones son iguales, ¿por qué unos electrones salían con energías tan diferentes?. Esto tuvo en jaque a los físicos de la época bastante tiempo.

Peter Deby llegó a decir que “era un tema como el de la subida de impuestos, sobre la cual lo mejor es no pensar”. Bohr llegó a afirmar que la ley de conservación de la energía podía no cumplirse en las emisiones beta, pero Pauli escribió una famosa carta que empezaba con la frase: “Queridas señoras y caballeros radiactivos …” y sugirió que lo que sucedía es que aparte del electrón se emitía otra partícula.

Esa hipotética partícula tenía que ser neutra y en caso de tener masa, sería realmente poca. Vamos una partícula muy escurridiza, tanto que sería casi indetectable. A estos ladronzuelos de energía Pauli les dio el nombre de neutrones (igual que los que conocemos) y con ese nombre aparecieron en una revista científica. Todo ello sucedía allá por el año 1930.

Después del descubrimiento de los neutrones (los auténticos, los de Chadwick y no esos ladronzuelos), Enrico Fermi expuso a sus discípulos esas nuevas partículas. Uno de los oyentes le preguntó si los neutrones de Chadwick eran las mimas partículas de las que hablaba Pauli. La respuesta fue:

No, le neutrone di Chadwick sonno grande. Le neutrone di Pauli erano piccole; egli devono star chiamato neutrini.

Y ese fue el nombre que quedó a esas partículas: neutrinos.

Apenas interaccionan con la materia. Sólo lo hacen con los núcleos en virtud de la fuerza débil, o sea, ni eléctrica ni magnéticamente y de sus efectos gravitatorios a esa escala podemos olvidarnos. Por si fuera poco os recuerdo que los núcleos son muy pequeños al lado del átomo por lo que la interacción todavía es más improbable. Recordad lo pequeños que eran los núcleos: si un átomo fuera del tamaño de un autobús, el núcleo atómico sería como el punto de esta i. Conclusión: son muy difíciles de detectar.

Otro dato para haceros notar la dificultad en su detección. Si pusiéramos una pared de un grosor de un año luz de plomo y lanzáramos a través de ella un chorro de esas partículas la mitad de ellas la atravesarían como si no hubiera tal pared. Ya no hablemos de lo que les cuesta atravesar una minucia como la Tierra, una persona o un detector.

Pero claro, si tenemos un suceso que se da con probabilidad muy baja, lo que tenemos que hacer es que se dé muchas veces. Igual que si quisiéramos incrementar la probabilidad que nos tocara la lotería tendríamos comprar más y más números, el único modo de poder detectarlos es tener intensas fuentes de neutrinos cerca y así aumentar la probabilidad de interacción.

En 1955, Fred Reines y Clyd Cowan, del Laboratorio Científico de Los Alamos colocaron fuera de los muros de un reactor nuclear (que sabían que era una intensísima fuente de neutrinos) una gran vasija llena de hidrógeno con contadores por todas partes. Esperaban la reacción neutrino + protón -> neutrón + positrón (el positrón es un electrón pero con carga positiva). Obtuvieron varias detecciones por minuto hasta que la pila fue cerrada. De los 10²⁰ neutrinos por segundo generados se detectaba uno cada 20 minutos. Ya, no es mucho, pero suficiente para confirmar su existencia y dar el gustazo a Pauli que murió dos años después. Más tarde, se estudió todo el tema más a fondo y se lograron otros métodos para su detección como el cloro (una reacción así es capaz de transformar el cloro en argón radiactivo, así que sólo hemos de buscar esa radiactividad del argón).

Pero puede que el suceso más espectacular en relación a los neutrinos sucediera la noche del 23 al 24 de febrero de 1987. Uno de los ayudantes de astrónomo salió al exterior del observatorio astronómico de Las Campanas, en los Andes chilenos y mirando al cielo vio que en la Gran Nube de Magallanes había una estrella que brillaba más de lo habitual. Se trataba de una supernova.

En el otro lado de la Tierra, en una mina de zinc abandonada de Japón se estaba haciendo un experimento para ver si el protón no tiene vida eterna. Para ello se había llenado un depósito con 3000 toneladas de agua pesada extraordinariamente pura para poder detectar destellos de luz gracias a sus 13.000 tubos fotomultiplicadores. Dicha mina estaba a 3.300 metros de profundidad, en la mina de Kamioka. De ahí el nombre de ese artilugio: súper-kamiokande.

Pues bien, ese día sus detectores se dispararon inesperadamente 12 veces. Simultáneamente, otro detector situado en una mina de sal cerca de Faiport, Ohio; se disparó, también inesperadamente, 8 veces y un tercer detector situado bajo el monte Andyrchi, en el Cáucaso, registró 5 sucesos. Fijaos que estamos hablando de los efectos de una misma explosión de una estrella con varias veces la masa de nuestro Sol que había muerto hacía 170.000 años. Ese día nos llegó la noticia. En aquella explosión se produjeron 10 billones de trillones (10³¹) neutrinos. Sólo se detectaron los 25 citados.

Con ese experimento de la supernova se pudo acotar la masa del neutrino gracias al retraso con que llegaron respecto la luz de la supernova. Si hubieran llegado a la vez, tendría que haberse concluido que no tenían masa (técnicamente, masa en reposo nula), pero ese retraso les delataba.

En 1998 se confirmó que tenían una masa muy reducida, entre 10 y 100 millones de veces menor que la de un electrón que ronda los 9·10^-31 Kg. Aunque con partículas se habla normalmente de la energía equivalente de la masa, E=mc². Para un electrón, su “masa” es 0.5·10⁶ eV, y la del neutrino está entre 0.05 y 0.3 eV.

Un experimento a escala cósmica, ¿no os parece?

Fuentes:
“El Universo”, Lloyd Motz
“El hombre que calumnió a los monos”, Miguel Angel Sabadell
“Biografía de la física”, Gorge Gamow
“La unificación de las fuerzas funfamentales”, Abdus Salam
http://www.oya-es.net/reportajes/neutron.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Neutrino
http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/068/htm/sec_9.htm
http://particleadventure.org/particleadventure/spanish/npes.html
http://www.ipen.gob.pe/site/tecnologia_nuclear/neutrografia_01.htm
http://gluonconleche.blogspot.com/2006/06/piramidioteces-ii.html