Paisaje sin neutrinos (III), decíamos ayer…

Más de una vez me he imaginado a esos dos grandes de mi juventud, Luis de León y Miguel de Unamuno, dirigiéndose a sus alumnos, de vuelta a sus respectivas cátedras en la universidad de Salamanca, tras haber sido alejados de ellas a la fuerza. Los dos utilizan la misma frase: «decíamos ayer». Podrían haberlo hecho de otra manera. El sublime poeta, encarcelado por la inquisición, se sentiría sin duda tentado de quejarse desde su atril, de los sufrimientos y vejaciones padecidos a lo largo de los cuatro largos años que paso entre rejas pero prefirió callarse. Don Miguel tampoco se molestó en denostar al régimen de Primo de Rivera, que tan injustamente le había desterrado, apartándole de las aulas. Ambos escogieron consignar al olvido a verdugos y censores, enviándolos, con magistral elipsis, al abismo de la no existencia.

Pienso en ellos al retomar este blog, después de meses de silencio, de intenso trabajo, de preocupación que a veces rayaba la angustia, estos meses en los que NEXT, el experimento que dirijo, caminaba por la delgada línea roja que separa lo posible del podría haber sido. Se nos acababa la financiación a finales de año, la situación del país hacía impensable encontrar más recursos en las vacías arcas de la ciencia española y la única escapatoria al expediente de crisis era la posibilidad de un milagro europeo.

El veredicto lo esperaba a mediados de julio, y no era la primera vez que me veía en capilla, rezando a todas las divinidades en las que no creo para que Europa me concediera uno de sus proyectos avanzados Advanced Grants. La diferencia es que, en convocatorias anteriores, aún contaba con algunos recursos de CUP, un proyecto CONSOLIDER-Ingenio, que permitió poner en marcha la aventura de NEXT y ha sido nuestra sustento principal durante un lustro. Así que, cada año, cuando llegaba la carta en la que el director del programa AdG lamentaba comunicarme que otra vez será, chico, me decía a mí mismo: «aún puedo aguantar un poco más sin cerrar el negocio». Y aguantaba, como han hecho y siguen haciendo tantos otros españolitos de a pie. Este mes de julio, en cambio, era César o nada, la suerte o la muerte. Y fue la suerte. Cuando ya no me quedaba una nave por quemar.

NEXT son las siglas de  Neutrino Experiment with a Xenon TPC. Lo que pretendemos es demostrar que Ettore Majorana (ese joven de pelo negro y lacio, aspecto enfermizo y mirada triste, que dejamos acodado en un paquebote, camino de Palermo, mirando al mar en una noche de 1938) tenía razón cuando propuso la extraña posibilidad de que el neutrino fuera su propia antipartícula. Decíamos ayer (en el último post de este blog) que Fred Raines y Clyde Cowan habían demostrado la existencia del neutrino, allá por 1955, con un detector situado junto al reactor nuclear de Savannah River. En el interior del reactor se producen trillones de estas partículas, como consecuencia de las desintegraciones radioactivas de los productos de fisión, lo que hace posible detectarlos a pesar de que su probabilidad de reaccionar con la materia ordinaria es muy baja. No obstante, tanto va el cántaro a la fuente. En un trillón de fantasmas siempre hay algún infeliz que de repente se estrella contra las duras moléculas de lo real.

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Izquierda: el tritio es un elemento radioactivo (famosos por los escapes en Fukushima) que se desintegra beta, emitiendo neutrinos. Derecha: en la desintegración del beta, uno de los neutrones del núcleo radioactivo se transforma en un protón, emitiendo en el proceso un electrón y un antineutrino.

Ahora bien, en un reactor nuclear no se producen neutrinos, sino antineutrinos, la partícula de antimateria que refleja al neutrino en uno de los curiosos espejos de la naturaleza. La antimateria, tan famosa hoy en día (sobre todo gracias a los cómics de Marvel y las novelas de Dan Brown) surgió de la mente de P.A.M. Dirac, tan perfecta y completa como Atenea emanando de la cabeza de Zeus. El genial físico (lo contaré otro día) estudió las soluciones de su ecuación y se vio obligado a emitir su propio juicio de Paris. ¿Quién es más bella, mi ecuación o la naturaleza? No tuvo dudas. Si su ecuación predecía la existencia de soluciones de energía negativa, entonces a las deidades olímpicas no le quedaba otro remedio que darles sentido. Y declaró: «la antimateria existe». Unas décadas más tarde, los físicos de partículas se maravillaban observando los productos de las colisiones en sus grandes aceleradores. Por cada electrón, la naturaleza producía un positrón, idéntico a este pero con carga eléctrica positiva, una copia fiel de su hermano y a la vez su absoluta némesis. Cuando un electrón y un positrón se encuentran ambos desaparecen, produciendo energía pura. Donde antes había materia, solo queda luz. La consumación perfecta del amor, aniquilarse en un solo destello de pura felicidad.

Pero incluso un niño podría distinguir un electrón de un positrón, ya que sus cargas eléctricas son opuestas. Ahora bien, el neutrino no tiene carga eléctrica. ¿Cómo saber entonces quién es materia y quién antimateria?

La respuesta correcta es fijarse en quién los produce. Las desintegraciones beta producen antineutrinos (tal como midieron Fred & Raines). La captura beta inversa, en la que un isótopo radioactivo prefiere merendarse un electrón y transformarse en otro isótopo a emitirlo (como ocurre en la desintegración beta normal) produce neutrinos. A un nivel elemental, cuando un neutrón se desintegra en un protón, produce antineutrinos.

n \rightarrow p^+ + e^- + \hat\nu

Y cuando un protón absorbe un electrón para transformarse en un neutrón produce neutrinos:

p^{+}+e^{-}\rightarrow n+v

Eso es, definimos a la partícula o antipartícula por la reacción que la produce. ¿Pero qué tipo de propiedad hace a un neutrino diferente de un antineutrino? Ya hemos visto que el atributo que hace a un electrón diferente de un positrón es su carga eléctrica. ¡Pero los neutrinos no tienen carga! Si tampoco tuvieran masa, entonces podríamos encontrar una etiqueta para diferenciarlos, a saber. Si nos imaginamos las partículas elementales como pequeñas esferas que giran alrededor de un eje de simetría (la analogía obvia es la rotación de la Tierra) los antineutrinos serían destrógiros y los neutrinos levógiros. Es decir, en esta analogía clásica describimos un antineutrino como una esfera que gira en la dirección de las agujas del reloj y un neutrino como una esfera que gira en dirección contraria. Por otra parte, si el neutrino tiene masa, el carácter destrógiro (levógiro) de antineutrinos (neutrinos) es solo aproximado. La aproximación es muy buena ya que sabemos que la masa de los neutrinos es minúscula, pero le da a la naturaleza un pequeño margen de maniobra.

Ettore Majorana, nuestro trágico héroe, postuló hace ya más de ochenta años que de hecho neutrinos y antineutrinos no son diferentes. Dicho de otra manera, a diferencia de lo que ocurre en el caso de los electrones, lo que vemos como «neutrino» en la desintegración beta o como «antineutrino» en la beta inversa, son dos aspectos de la misma partícula. En una de sus versiones, la partícula se nos presenta como «casi levógira» y la llamamos neutrino. En otra como «casi destrógira», esto es, un antineutrino. Pero, llegado el caso, nuestro neutrino puede cambiar su sentido de giro (tanto más fácilmente, dicho sea de paso cuanto más masa tenga). Quién lo diría. Tan evanescente y diminuto y sin embargo sabe adaptarse a las circunstancias.

Imagino a algún lector dedicándome una comprensiva sonrisa y agitando reflexivamente la cabeza mientras piensa, «estos físicos…». ¿A quién de los sufridos pasajeros del paquebote España, haciendo aguas por la economía de mercado y a punto de partirse en las ínsulas Baratarias del nacional capitalismo, le importa un ardite si el neutrino es, o no, su propia antipartícula?

Considera, sin embargo, mon semblable, mon frère, que esta tormenta perfecta que nos azota no llega ni a suave brisa comparada con la que agitaba el universo primitivo. Hubo un momento, poco después del Big Bang, en el que el mundo era una sopa caliente de partículas y antipartículas. Electrones y positrones se disponían a liberar la madre de todas las batallas, dos ejércitos perfectamente equilibrados en los que el número y la furia de los Montescos compensaba matemáticamente la de los Capuletos. ¿Qué habría emergido de esa conflagración? Energía pura. Luz que no habría creado galaxias y planetas, volcanes y océanos, desiertos y azucenas, delfines y muchachas en flor.

Excepto que también en esa guerra había un caballo de Troya, un poco más ángel que demonio o quizás al contrario. Los neutrinos que postuló Majorana podrían haber existido en el universo primario, bestias capaces de desintegrarse tanto a electrones como a positrones, inyectando en la desprevenida noche del cosmos un ligero desequilibrio entre materia y antimateria. El universo actual no es otra cosa que los restos de aquella guerra.

Así que no es exagerado concluir que los neutrinos de Majorana podrían ser responsables de la existencia de todo el universo (incluyendo, me temo, la Bolsa y la telebasura). El propósito de NEXT es demostrar que Majorana tenía razón.

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Imágenes del prototipo NEXT-DEMO, instalado en el laboratorio del IFIC, en Valencia.

Pero para eso hay que construir el experimento, lo que requiere desarrollar una tecnología puntera, construir prototipos, equipar laboratorios y formar equipos humanos. En cinco años hemos conseguido todo eso. Pero este mes de julio, yo no era en absoluto diferente al gerente de una pyme, que ve como su empresa se arruina. De nada me servía que nuestro prototipo, NEXT-DEMO, fuera el aparato más avanzado del mundo de su tipo, ni la extraordinaria calidad del equipo de jóvenes ingenieros y doctores que hemos formado. Sin financiación, todo se iba al garete. ¿Y cómo pago a los chicos?, me preguntaba cada día. ¿Y qué hago si tenemos que cerrar el laboratorio? ¿Y cómo seguimos adelante?

Hay que decir que en España, el Santo Oficio nunca desapareció del todo. Los modernos inquisidores han cambiado sus métodos de tortura y disimulado sus mazmorras, pero siguen convencidos de que la hoguera es la mejor medicina para los herejes, incluyendo aquellos que se atreven a proponer ideas que ponen en entredicho su fe o sus habichuelas. Habría mucho que contar de esos inquisidores. Pero, ¿vale la pena?

Si Luis de León y Miguel de Unamuno pudieron obviarlos también yo puedo hacerlo ahora que me veo (ojalá dure) fuera del calabozo. No me resisto, eso sí, a copiar las líneas, quizá apócrifas, atribuidas al místico cuando abandonó su celda.

Aquí la envidia y mentira
me tuvieron encerrado.
¡Dichoso el humilde estado
del sabio que se retira
de aqueste mundo malvado
y, con pobre mesa y casa,
en el campo deleitoso,
con sólo Dios se compasa,
y a solas su vida pasa
ni envidiado ni envidioso

Quizá Ettore Majorana no saltó al mar aquella noche de 1938. Quizás en lugar de cometer suicidio decidió seguir los consejos de fray Luis y retirarse del mundo. Quizá encontró un refugio donde pasar a solas, o con la compañía de Dios, que viene a ser lo mismo, el resto de su vida, ni envidiado ni envidioso. Yo por mi parte, prefiero la trinchera. Y más ahora que tenemos munición europea en nuestras armas —nuestros instrumentos y nuestra devoción— cargadas de futuro.


Paisaje sin neutrinos (II), Fred & Clyde

¿Es de extrañar que Nature rechace el artículo de Enrico Fermi, cuando se diría que el brillante físico italiano se empeña en formalizar las matemáticas de una entelequia? Incluso el nombre, neutrino, tiene algo de chiste. En 1938, James Chadwick acaba de descubrir una partícula sin carga eléctrica, que tiene aproximadamente la misma masa que el protón y la ha llamado neutrón, así que Fermi tiene que contentarse con un diminutivo que, se diría, menosprecia a la infeliz criatura.

Pero no es solo el nombre. El neutrón no tiene carga eléctrica, pero siente la fuerza nuclear fuerte que le hace abrazar enérgicamente a sus parientes en el núcleo atómico. Neutrones y protones constituyen los ladrillos que forman la realidad y los físicos de la época ya intuyen que ambas partículas vienen a ser dos manifestaciones de la misma cosa. Hay más aún. Dentro de unos pocos años, estos neutrones recién descubiertos van a ser utilizados, por el mismísimo Fermi, para partir núcleos de uranio, abriendo la caja de Pandora de la fisión nuclear.

En cambio, ¿qué decir del neutrino? No tiene carga eléctrica, pero tampoco tiene, por lo que parece, una masa que pueda medirse y para colmo, no parece interesado en reaccionar con la materia que le rodea. Se emite en la desintegración beta, sí, y su supuesta presencia, permite explicar la distribución de energía de los electrones que escupen los núcleos radioactivos, pero a la vez escapa a toda medida, invisible, imposible de detectar. Es, a todos los efectos, un fantasma. Y los fantasmas, se sabe, no existen.

Un célebre astrofísico de la época, Sir Arthur Eddington, resume el punto de vista de muchos, quizás casi todos los científicos de finales de los años 30, en lo que se refiere a tan evanescentes criaturas:

Lo cierto es que no creo en los neutrinos. Incluso me atrevería a afirmar que los físicos experimentales no son lo suficientemente ingeniosos para detectar o producir neutrinos…

Eddington se equivoca, pero lo cierto es que, entre la noche de marzo de 1938 que nos ocupa (esa noche en la que Ettore Majorana mira al mar, acodado en la barandilla del paquebote que hace el trayecto entre Nápoles y Palermo) y la demostración de que el neutrino existe, en el mismo sentido que existen los electrones y los protones, han de pasar todavía 15 años. 15 años y una guerra.

Figura 1.11
Figura 1.1. Fred Reines y Clyde Cowan en el centro de control del experimento de Hanford(1953).

Dejemos un momento a Ettore, a solas con sus pensamientos y adelantémonos hasta 1953. La fotografía nos muestra a dos físicos trabajando en un diminuto zulo, rodeados de aparatos que recuerdan un poco la instrumentación de un submarino. La escena que captura la cámara en blanco y negro representa casi el Nirvana de la física. Clyde Cowan está ajustando uno de los aparatos, anda por los 35, aunque las pronunciadas entradas y el pelo, prematuramente cano, le hacen parecer algo mayor. Fred Reines toma notas en un cuaderno, aparenta ser más joven que su compañero, aunque de hecho tiene un año más que él. Ambos están concentrados en su trabajo, serenos, se diría que felices. Toda la angustia que invade el alma del joven Majorana, brilla por su ausencia en este instantánea que captura el momento mágico en el que el científico ejerce su ciencia.

Quizás esa paz de espíritu se deba a que estos hombres, a diferencia del italiano, han vivido una guerra, la gran guerra.

Clyde ha sido capitán en el ejército del aire, ha ganado una estrella de bronce y ha realizado sus estudios de física gracias a una beca del ejército. Con su tesis doctoral recién acabada, el destino le lleva al célebre laboratorio de Los Alamos, en Nuevo México, en 1949, el año en el que el proyecto Manhattan está a punto de culminar. Allí se encuentra a Fred, niño prodigio, estudiante favorito del genial Richard Feynman. Ambos trabajan en la bomba, el pecado original de la fisión nuclear descontrolada que, ya para siempre, pesará como una lacra en la humanidad.

Pero la guerra ha terminado así que físicos y zapateros vuelven a sus zapatos. Reines y Cowan quieren detectar neutrinos. Pero los neutrinos interaccionan tan poco que hacen falta cantidades astronómicas de ellos para cazar unos pocos. Lo primero que se les ocurre a Fred y Clyde es hacer el experimento cerca de una explosión nuclear. Es el signo de los tiempos. Estamos en la década de los 50, USA y la URRS explotan una bomba atómica, como aquel que dice todos los días, enseñando sus músculos de destrucción masiva al enemigo, en una confrontación barriobajera que no termina en desastre de puro milagro.

Afortunadamente nuestros héroes acaban por dar con una solución más sensata utilizando el reactor nuclear de Hanford, uno de los laboratorios involucrados en el proyecto Manhattan. A fin de cuentas, un reactor nuclear produce, a medio plazo, muchos más neutrinos que una explosión atómica, nada menos que unos 50 billones de antineutrinos por centímetro cuadrado (el tamaño de la uña del pulgar). Estos antineutrinos o neutrinos de antimateria aparecen como subproductos de las copiosas desintegraciones radioactivas que ocurren en el interior del reactor durante la reacción en serie que sostiene el proceso de fisión.

Cuando un antineutrino reacciona con un protón (cosa que ocurre muy raramente a pesar de la cantidad astronómica de neutrinos que el reactor produce) lo transforma en un neutrón, emitiendo un positrón (es decir una electrón de antimateria) en el proceso.

flt1

La idea de Reines y Cowen era sencilla y elegante. Cuando el positrón emitido en la reacción anterior se encuentra con un electrón ambos se aniquilan, produciéndose radiación de muy alta energía, o rayos gamma, un proceso que podemos apuntar así:

flt2

Donde ϒ (pronunciado “gamma”) denota un fotón de muy alta energía. De hecho, como es necesario equilibrar la energía y cantidad de movimiento de la reacción, los dos fotones emitidos en la reacción reculan el uno contra el otro. Así pues, basta con detectar la señal de estos dos fotones, para contar con una evidencia de que se ha dado la reacción.

Los materiales para construir el detector estaban a mano. Por un lado, un par de años atrás, se habían encontrado líquidos orgánicos transparentes y capaces de emitir una ligera chispa de luz cuando una partícula cargada o un fotón los atravesaban. Fred y Clyde, junto con el resto de su equipo, se hicieron con unas pocas toneladas de este líquido centelleante y con unos aparatos capaces de detectar pequeñas cantidades de luz, llamados fotomultiplicadores, o PMTs (de las siglas photomultiplier). Un PMT (figura 1.2) es algo así como una bombilla al revés, si consideramos que una bombilla emite luz cuando pasa por ella una corriente eléctrica. En cambio un fotomultiplicador convierte luz en una corriente eléctrica. Además es capaz de responder a cantidades mínimas (tan mínimas como un solo fotón) de luz, ya que la débil carga eléctrica que produce la chispa de luz se amplifica por factores de decenas de millones para producir una señal medible.

Figura 1.2
Figura 1.2. La figura muestra tres fotomultiplicadores (PMTs) del experimento NEXT, rodeados de blindaje de plomo y cobre en el laboratorio subterráneo de Canfranc.

Así pues, un gran barreño lleno de líquido centelleante y tapizado interiormente por fotomultiplicadores. El positrón se aniquila con el electrón, los fotones se emiten y producen luz en el líquido, la luz es registrada por dos PMTs situados uno enfrente del otro. Sencillo y bonito. Demasiado sencillo, de hecho.

El problema era que el ruido de fondo debido a la radioactividad natural (ya he escrito en este blog que la Tierra es un planeta muy radioactivo) es enorme. En otras palabras, la cantidad de señales espurias debidas a la emisión de electrones y fotones por los materiales de los que está construido el experimento (todos ellos ligeramente radioactivos, incluyendo a los propios físicos) y también el ruido ocasionado por los rayos cósmicos que nos bombardean, hacía esencialmente imposible, encontrar la aguja de los dos fotones producidos por la aniquilación electrón-positrón en el inmenso pajar de chispas aleatorias.

Afortunadamente, en la reacción también se emite un neutrón, el cual, al carecer de carga eléctrica, se pasea libremente por el líquido centelleante. De hecho, el neutrón se escaparía del detector, si no fuera porque R&C cayeron en la cuenta de que era posible capturarlo añadiendo una pequeña cantidad de sales de Cadmio, un elemento ávido de neutrones.

Figura 1.3
Figura 1.3. El principio de la doble señaal retardada. La primera señal se debe a la aniquilación del positrón y el electrón. La segunda a la captura del neutrón.

La figura 1.3 nos muestra la idea, conocida como “coincidencia retardada”. La señal que R&C buscaban era la combinación de una primer flash de luz (la aniquilación del electrón y el positrón), seguida, al cabo de unos pocos microsegundos (estos es unos cuantas millonésimas de segundo) de una segundo flash, diez veces más intenso (la captura del neutrón). El ruido de fondo puede simular una señal y también la otra, pero no ambas a la vez.

La figura 1.4 nos muestra un esquema del detector y las señales. De paso nos da una idea de cómo funcionan los físicos. Primero dar con la idea apropiada (la coincidencia retardada que hace posible suprimir el ruido de fondo). Después, encontrar la tecnología necesaria para el experimento, que a veces existe y a veces se inventa (en el caso de Fred y Clyde, tanto los PMTs como el líquido centelleante estaban en el mercado desde hacía unos pocos años). Luego, diseñar el experimento. A menudo el “diseño” original es un garabato en una servilleta, otras veces un dibujo algo más decente, como el de la figura 1.4. A partir de ahí se refina el concepto (figura 1.5) y finalmente se construye el aparato (figura1.6).

Figura 1.4
Figura 1.4. Un esquema del detector de Reines y Cowen.

Figura 1.5
Figura 1.5. Un diagrama del detector en el reactor de Savannah River.

Figura 1.6
Figura 1.6. El zulo de Reines y Cowen en el reactor de Savannah River.

Para ser un buen físico de neutrinos hace falta un par de características más. Cierta insensatez (para atreverse con experimentos muy difíciles) y mucha paciencia. El experimento de Hanford fue un fracaso a pesar de la coincidencia retardada, debido al escaso blindaje del detector, lo que hacía que el ruido de fondo literalmente anegara cualquier posible señal. Pero dos años más tarde, en 1955, en el reactor de Savannah River, con mejor blindaje y un aparato mejorado, Fred y Clyde encontraron en su osciloscopio las señales que demostraban, sin lugar a dudas, la existencia de la coincidencia retardada (figura 1.7). El neutrino había dejado de ser un fantasma.

Figura 1.7
Figura 1.7. Las señales de la aniquilación del positrón y el neutrón pueden observarse en sus respectivos osciloscopios, retrasadas, tal como se esperaba en unos pocos microsegundos. El neutrino ha sido detectado experimentalmente.