2012: Neutrinos

Por fin he tenido ocasión de ver la película 2012, que tanto me habéis recomendado (no por la película en sí, sino por su mala ciencia, claro). Pero no, no supera a The Core (es muy difícil, ya que el listón está muy alto). De momento, en este post me voy a centrar en el origen de la catástrofe: los neutrinos.

Al principio de la peli, vemos como un geólogo llega a una instalación subterránea, donde se encuentra con un astrofísico y le cuenta que debido a una erupción solar, el flujo de neutrinos procedente del Sol se ha duplicado. Es astrofísico le recuerda que los neutrinos apenas interactuan con la materia, pero éstos deben haber mutado en alguna nueva clase de partícula, y están calentando el nucleo terrestre. Ante la incredulidad del geólogo, le enseñan un tanque lleno de agua, que penetra a gran profundidad, con el líquido en ebullición.

He de decir que los primeros minutos me sorprendieron, pues hay bastante buena ciencia en ellos. Es cierto que los neutrinos son partículas elementales que apenas interactuan con la materia. Billones de ellos nos atraviesan cada segundo y no nos damos cuenta. Para que os hagáis una idea, es grosor que debería tener una pared de plomo, para detener la mitad de los neutrinos que la atraviesen, sería de ¡un año-luz! ¿Podéis imaginar algo semejante?

¿Cómo se pueden detectar entonces? Bueno, afortunadamente, «apenas interactuan con la materia» no es lo mismo que «no interactuan en absoluto». Dado que el número de ellos que nos atraviesan es tan elevado, si tenemos un objeto suficientemente grande, algún neutrino interactuará con él en un tiempo razonable. Por lo general se usan inmensos tanques con algún líquido que produzca algún efecto medible al ineractuar con neutrinos. Por ejemplo, en el caso del agua, si un neutrino golpea un electrón, éste adquiere una velocidad muy alta, superior a la de la luz en ese medio (ojo, menor que la velocidad de la luz en el vacío), de forma que emite luz (fenómeno conocido como radiación de Cherenkov). Como los rayos cósmicos producen el mismo efecto, estos tanques se colocan bajo tierra, a gran profundidad. Los rayos cósmicos no llegan ahí abajo, pero la mayoría de los neutrinos sí (apenas interactuan con la materia, ¿recordáis?). En la peli, el laboratorio donde detectan el fenónemo está bajo tierra, a unos 3 km de profundidad, lo que es coherente con la detección real de neutrinos.

También es cierto que el Sol es un emisor de neutrinos. Como he comentado muchas veces, en el interior de una estrella se producen reacciones nucleares que convierten el hidrógeno en helio. Como parte del proceso, algunos protones se transforman en neutrones, y en esa reacción se emite un neutrino. Como los neutrinos apenas interactúan con la materia, la mayoría de ellos llegan a la superficie sin problemas, donde continúan su camino.

Un comienzo con buena ciencia, que inmediatamente se derrumba cuando dicen que los neutrinos han «mutado», y que están calentando el interior de la Tierra, actuando como microondas. Bueno, las partículas elementales no mutan, al menos no en el sentido en el que se suele emplear la palabra, y que está relacionado con la biología. Si nos ponemos puristas y acudimos al diccionario, una mutación es simplemente un cambio (si bien, es muy extraño que un científico use la palabra «mutar» para expresar un cambio en una partícula).

¿Puede una partícula elemental cambiar? Sí. Algunas partículas son inestables, y sufren una desintegración. Pondré un ejemplo familiar, aunque no se trate de una partícula elemental: el neutrón, si no forma parte de un núcleo atómico, es inestable, con una vida media de algo menos de 15 minutos, y se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino. Si nos restringimos a partículas elementales, podemos pensar en el muón, con una vida media bastante más corta (un par de microsegundos), y que se desintegra (habitualmente) en un electrón, un neutrino y un antineutrino.

Los neutrinos son partículas estables, como los electrones o los fotones, y no se desintegran. Sin embargo, sí que pueden experimentar un cambio. Veréis, durante todo este rato he estado hablando de neutrinos, así sin más, pero resulta que hay tres tipos de neutrinos: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico (los nombres provienen de sus tres partículas asociadas: el electrón, el muón, y el tauón), cada uno de ellos con su propia antipartícula. Un neutrino puede cambiar de un tipo a otro, de forma espontánea, fenómeno conocido como oscilación de neutrinos. Sin embargo, los tres tipos de neutrinos tienen en común su casi nula interacción con la materia.

Vemos que no hay ninguna forma conocida en la que unos neutrinos puedan transformarse así sin más en alguna otra partícula, que produzca los efectos que vemos en la peli. Pero ¿no se trata de eso? ¿de que descubren un fenómeno nuevo y desconocido? Sí, pero si entendéis por qué los neutrinos interactuan tan poco con la materia, veréis que aunque ciertamente nos queda mucho por descubrir en el mundo de la mecánica cuántica, el que un neutrino se transforme de esa manera no parece plausible.

En el universo existen únicamente cuátro tipo de interacciones: la gravedad, el electromagnetismo, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil. Sí, sólo 4. El neutrino sólo es afectado por la gravedad y la interacción nuclear débil, y si en el mundo cuántico la gravedad tiene poca relevancia, menos la tendrá en el caso del neutrino, con su minúscula masa en comparación con el resto de partículas. Así que sólo tenemos la interacción nuclear débil. Vale ¿y? Bueno, pues que la distancia a la que esta interacción puede actuar de forma efectiva, es muy muy pequeña.

Como sabéis, la gravedad y el electromagnetismo tienen un rango infinito, si bien, dependiendo de las masas o cargas involucradas, podemos despreciar sus efectos a partir de cierta distancia. A distancias subatómicas, el efecto del electromagnetismo siempre es relevante. Podemos decir que es la interacción electromagnética la que mantiene los electrones alrededor del núcleo, y la que mantiene los átomos y moléculas en su sitio. Además, esta interacción es la que nos permite ver, pues los fotones, aunque no tienen carga eléctrica, sí que se ven afectados por la interacción electromagnética (de hecho, podemos decir que son la interacción electromagnética), «rebotando» en la capa de electrones de los átomos de los objetos que vemos, para ir a nuestros ojos.

La interacción fuerte tiene un alcance muy pequeño, del orden del tamaño de un núcleo atómico. Es precisamente esta fuerza la que mantiene a los protones y neutrones bien juntitos en el núcleo, pese a que la interacción electromagnética ejerce una fuerza de repulsión enorme entre los protones (recordad que los protones tienen carga eléctrica). Para que partículas libres interaccionen entre sí con la interacción fuerte, deben acercarse bastante.

Pero el rango de la interacción débil es mucho menor. Unas mil veces menor que el tamaño de un núcleo atómico. Para que unas partículas sueltas interaccionen entre sí con la interacción débil, tienen que acercarse muchísimo más. Podemos decir que practicamente tendrían que «chocar de frente». Y la materia está prácticamente hueca. La distancia entre los electrones y el núcleo de un átomo es enorme, comparados con su tamaño (unas 100.000 veces el tamaño del núcleo). Y la distancia entre átomos es mayor aún. Una partícula que sólo se vea afectada por la interacción débil, atravesaría átomos sin problemas, ya que la probabilidad de colisionar directamente con otra partícula, es muy pequeña. Y por eso los neutrinos apenas interaccionan con la materia.