Cómo se detectan los neutrinos: dentro de los grandes detectores

Qué es un neutrino y por qué atraviesa la materia

El neutrino es una partícula elemental de la familia de los leptones, como el electrón, pero con dos diferencias decisivas: no tiene carga eléctrica y su masa es minúscula, aunque hoy sabemos que no es exactamente cero. Al ser neutro, no siente la fuerza electromagnética; solo interactúa a través de la fuerza nuclear débil y de la gravedad. Y como la fuerza débil actúa a distancias diminutas, un neutrino podría atravesar años luz de plomo antes de chocar con algo. Esa es la razón por la que cruza tu cuerpo, la Tierra y las estrellas casi sin inmutarse.

Existen tres «sabores» de neutrino, asociados a sus parientes cargados: el neutrino electrónico, el muónico y el tauónico. La mayoría de los que nos atraviesan nacen en la fusión nuclear del Sol, pero también los producen los rayos cósmicos al golpear la atmósfera, las explosiones de supernova y los reactores nucleares. Conviene aclarar un malentendido frecuente: los neutrinos no son materia oscura ni energía oscura. Esas son cuestiones abiertas de la cosmología, distintas por completo; los neutrinos son partículas del Modelo Estándar que sí sabemos detectar, aunque con enorme esfuerzo.

• Es un leptón: elemental, sin carga eléctrica y de masa muy pequeña pero no nula.
• Solo interactúa por la fuerza débil y la gravedad, así que apenas «toca» la materia.
• Tres sabores: electrónico, muónico y tauónico.
• Fuentes principales: el Sol, los rayos cósmicos, las supernovas, los reactores y el Big Bang.

El Nobel de 2015 y la oscilación que lo cambió todo

Durante décadas se creyó que el neutrino no tenía masa. La pista que lo desmintió fue la oscilación de neutrinos: un neutrino puede cambiar de sabor mientras viaja, transformándose por ejemplo de electrónico a muónico. Ese cambio solo es posible desde el punto de vista cuántico si los distintos tipos de neutrino tienen masas diferentes; es decir, si tienen masa. La oscilación fue, por tanto, la prueba indirecta de que el neutrino pesa algo.

El experimento japonés Super-Kamiokande, dirigido por Takaaki Kajita, midió a finales de los años noventa la oscilación de los neutrinos producidos en la atmósfera, mientras que el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO), de Arthur McDonald, demostró a comienzos de los 2000 que los neutrinos solares que «faltaban» no habían desaparecido, sino que habían cambiado de sabor. Ambos resolvieron el viejo «problema de los neutrinos solares» y, años después, compartieron el Premio Nobel de Física de 2015. Fue un antes y un después: confirmó que el Modelo Estándar, que suponía neutrinos sin masa, estaba incompleto y que estas partículas guardan aún secretos por descubrir.

Por qué cuesta tanto detectar los neutrinos

El problema de fondo es estadístico. Como el neutrino casi nunca interactúa, de los billones que atraviesan un detector cada segundo quizá solo uno reaccione en todo un día. Para tener alguna posibilidad hay que jugar con dos factores: usar volúmenes enormes de material (más átomos, más blancos posibles) y esperar mucho tiempo. De ahí que los detectores contengan decenas de miles de toneladas de agua o un kilómetro cúbico de hielo.

El segundo reto es el ruido. La radiación natural, la radiactividad de las rocas y, sobre todo, los rayos cósmicos generan señales que ahogarían por completo el raro destello de un neutrino. Por eso los detectores se instalan a gran profundidad —bajo montañas, en minas o en el hielo polar—, donde la roca actúa de escudo y filtra casi todo salvo los neutrinos, que la atraviesan sin problema. Detectar un neutrino es, en esencia, construir el lugar más silencioso posible y esperar con paciencia a que la naturaleza haga clic.

Cómo se detectan los neutrinos: la detección indirecta

Aquí está la clave: nunca «vemos» el neutrino en sí. Lo que se detecta son las partículas cargadas que aparecen en las rarísimas ocasiones en que un neutrino choca con un núcleo o un electrón del detector. Esa colisión lanza, por ejemplo, un electrón o un muón a gran velocidad, y son esas partículas secundarias las que dejan una huella medible. Por eso se habla de detección indirecta.

El truco más usado es la radiación de Cherenkov. Cuando una partícula cargada atraviesa el agua o el hielo más rápido de lo que la luz viaja en ese medio, emite un cono de luz azulada, una especie de «estampido lumínico». Miles de fotomultiplicadores —sensores capaces de detectar un puñado de fotones— tapizan las paredes del detector y captan ese anillo de luz. A partir de su forma e intensidad, los físicos reconstruyen la dirección, la energía y el sabor del neutrino original. En los detectores de agua, muchas señales provienen de la desintegración beta inversa, en la que un antineutrino choca con un protón y produce un neutrón y un positrón.

• Un neutrino golpea un núcleo o un electrón y libera una partícula cargada rápida.
• Esa partícula emite luz de Cherenkov en el agua o el hielo.
• Los fotomultiplicadores registran el anillo de luz y reconstruyen el suceso.
• Del patrón de luz se deduce la energía, la dirección y el sabor del neutrino.

Dónde y cómo se detectan los neutrinos: los grandes experimentos

Super-Kamiokande, en Japón, es un tanque cilíndrico con 50.000 toneladas de agua ultrapura enterrado unos 1.000 metros bajo el monte Ikeno. Sus más de 11.000 fotomultiplicadores vigilan el agua a la espera de destellos de Cherenkov. El Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO), en una mina canadiense a dos kilómetros de profundidad, usó en cambio 1.000 toneladas de agua pesada; el deuterio de esa agua permitía reacciones sensibles a los tres sabores a la vez, lo que fue decisivo para resolver el enigma solar.

IceCube lleva la idea al extremo: convierte un kilómetro cúbico del hielo profundo del Polo Sur en un gigantesco detector, con miles de sensores ópticos suspendidos en cadenas dentro del hielo transparente. Terminado en 2010, está optimizado para neutrinos de altísima energía procedentes del cosmos. Y no todos los experimentos son pasivos: en el CERN y en el Fermilab se generan haces de neutrinos disparando protones contra un blanco. Esos haces se envían cientos de kilómetros a través de la corteza terrestre hasta un detector lejano, lo que permite estudiar la oscilación de forma controlada. La próxima generación, como el experimento DUNE en Estados Unidos, promete medidas todavía más precisas.

• Super-Kamiokande (Japón): 50.000 t de agua ultrapura bajo el monte Ikeno.
• SNO (Canadá): agua pesada a 2 km de profundidad, sensible a los tres sabores.
• IceCube (Antártida): 1 km³ de hielo instrumentado para neutrinos de alta energía.
• Haces de aceleradores en el CERN y el Fermilab para estudiar la oscilación.

COHERENT 2017: así se detectaron los neutrinos con un detector diminuto

Frente a los colosos anteriores, en 2017 la colaboración COHERENT logró un hito con «el detector de neutrinos más pequeño del mundo», de apenas unos kilos. Observó por primera vez la dispersión elástica coherente neutrino-núcleo (CEvNS), un proceso predicho en 1974 en el que el neutrino no golpea una sola partícula, sino que rebota contra el núcleo entero, que retrocede como un todo. El experimento, realizado en la Fuente de Neutrones por Espalación del laboratorio de Oak Ridge con un cristal de yoduro de cesio, midió ese retroceso minúsculo.

La importancia va más allá del tamaño: COHERENT demostró de forma limpia que un neutrino transfiere un momento medible cuando interactúa con la materia. Es una confirmación experimental de que estas partículas fantasmales, pese a atravesarlo casi todo, dejan un empujón real y cuantificable en aquello con lo que chocan. Ese resultado abrió la puerta a detectores mucho más compactos y a nuevas formas de estudiar las propiedades del neutrino.

Del laboratorio subterráneo al aprovechamiento: la investigación neutrinovoltaica

Los grandes detectores dejan dos hechos firmemente establecidos que importan más allá de la astrofísica. Primero, la oscilación de sabor —reconocida con el Nobel de 2015— confirmó que los neutrinos tienen masa. Segundo, COHERENT demostró en 2017 que, en sus rarísimas interacciones, transfieren un momento medible a la materia. A partir de ahí surge una pregunta distinta de la que se hacen los observatorios: los detectores quieren observar neutrinos; otra línea de investigación se pregunta si ese flujo constante del entorno podría, algún día, convertirse en una pequeña corriente eléctrica.

Es la hipótesis que explora el Neutrino Energy Group (Berlín, fundado en 2008 por Holger Thorsten Schubart) con su enfoque neutrinovoltaico. No se trata de «capturar» neutrinos como hacen los grandes detectores, sino de estudiar si es posible aprovechar el flujo ambiental permanente —no solo neutrinos, sino también radiación cósmica, fluctuaciones térmicas y campos electromagnéticos— mediante una arquitectura multicapa de grafeno y silicio (patente WO2016142056A1). La idea se apoya, entre otros, en el trabajo de Paul Thibado (2020) sobre la separación de carga a partir del movimiento browniano en el grafeno.

Conviene ser honesto sobre el alcance. Se trata de investigación en desarrollo, no de un producto ni de «energía gratis»: no se crea energía de la nada. La propuesta es recolectar una fracción minúscula de la energía que ya atraviesa el entorno —entendido como un sistema abierto—, igual que un panel solar aprovecha la luz que de todos modos llega. Está por demostrar cuánta energía útil, si es que alguna, puede obtenerse así. Si quieres entender esta hipótesis con más detalle, puedes profundizar en la investigación neutrinovoltaica y ver cómo conecta con la física que has leído en esta página.