Glosario de neutrinos: términos de física de partículas y energía ambiental

Cómo usar este glosario de neutrinos

Este glosario de neutrinos está pensado para consultarse, no para leerse de un tirón. Las entradas se agrupan por tema y cada definición ocupa una o dos frases: el detalle justo para seguir un artículo divulgativo, una nota de prensa científica o el resumen de un experimento sin perder el hilo.

Cuando un término dispone de página de referencia propia, el enlace aparece dentro de la definición. Si prefieres un recorrido narrativo en lugar de un índice, empieza por cómo se detectan los neutrinos o por las fuentes de neutrinos.

Dos advertencias de método. Primera: las cifras que aparecen son órdenes de magnitud y valores medidos con su incertidumbre, no constantes exactas; en física de neutrinos muchos parámetros siguen abiertos. Segunda: cuando un concepto es hipotético -el neutrino estéril, el mecanismo del balancín, la leptogénesis- la definición lo dice de forma explícita.

La partícula: sabores, masa y oscilación

El primer bloque de términos de neutrinos describe la partícula en sí: qué es, cuántas variedades hay, cómo se mezclan entre ellas y por qué su masa dio para un Nobel.

• Neutrino - Fermión eléctricamente neutro y de masa diminuta que solo interactúa mediante la fuerza débil y la gravedad. Más detalle en qué es un neutrino.
• Antineutrino - Antipartícula del neutrino, con número leptónico opuesto. Los reactores nucleares emiten antineutrinos electrónicos.
• Sabor - Etiqueta que asocia cada neutrino con su leptón cargado. Hay tres sabores activos, y las medidas de la anchura del bosón Z en el LEP indican que no hay más sabores ligeros que participen en la interacción débil.
• Neutrino electrónico, muónico y tauónico - Las tres variedades conocidas. El tauónico fue el último en observarse de forma directa, en el experimento DONUT de Fermilab, en el año 2000.
• Neutrino estéril - Partícula hipotética que no participaría siquiera en la interacción débil y solo se manifestaría por mezcla con los sabores conocidos. No hay confirmación experimental; ver neutrino estéril.
• Leptón - Familia de fermiones fundamentales ajenos a la interacción fuerte: electrón, muón, tau y sus tres neutrinos asociados.
• Número leptónico - Cantidad contable que vale +1 para los leptones y −1 para los antileptones. La oscilación viola el número leptónico de cada familia, pero nunca se ha observado una violación del número leptónico total.
• Fermión - Partícula de espín semientero sujeta al principio de exclusión de Pauli. La materia ordinaria está hecha de fermiones.
• Masa del neutrino - Es distinta de cero pero minúscula. El experimento KATRIN, que analiza el espectro beta del tritio, sitúa el límite superior en torno a 0,45 eV: más de un millón de veces por debajo de la masa del electrón.
• Ordenamiento de masas - Pregunta abierta sobre cómo se escalonan los tres estados de masa (ordenamiento normal o invertido). Es uno de los objetivos centrales de JUNO y DUNE.
• Neutrino de Dirac o de Majorana - Dos hipótesis abiertas: que el neutrino y el antineutrino sean partículas distintas (Dirac) o la misma (Majorana).
• Desintegración doble beta sin neutrinos - Proceso hipotético que zanjaría la cuestión anterior a favor de Majorana. Se busca desde hace décadas y aún no se ha observado.
• Mecanismo del balancín (seesaw) - Familia de modelos teóricos que explicarían la pequeñez de la masa del neutrino mediante compañeros muy pesados. Es una hipótesis, no un hecho medido.
• Oscilación de neutrinos - Cambio periódico de sabor durante la propagación. Su descubrimiento (Nobel de Física de 2015 a Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald) demostró que el neutrino tiene masa; ver oscilación de neutrinos.
• Ángulo de mezcla - Parámetro (θ12, θ23, θ13) que cuantifica cuánto se solapan los estados de sabor y los estados de masa.
• Matriz PMNS - Matriz de Pontecorvo, Maki, Nakagawa y Sakata, que relaciona los tres estados de sabor con los tres de masa; incluye una fase asociada a una posible violación de CP.
• Violación de CP - Asimetría en el comportamiento de partículas y antipartículas. En el sector de los neutrinos hay indicios experimentales, pero todavía no una medida concluyente.
• Efecto MSW o efecto de materia - Modificación de la oscilación cuando el neutrino atraviesa materia densa, como el interior del Sol, por su interacción adicional con los electrones. Debe su nombre a Mikheyev, Smirnov y Wolfenstein.
• Helicidad y quiralidad - Propiedades ligadas al espín y a la dirección de movimiento. El experimento de Goldhaber, Grodzins y Sunyar midió en 1958 la helicidad del neutrino, un resultado clave para entender la estructura de la interacción débil.

Fuentes: de dónde proceden los neutrinos

Cada segundo atraviesan tu cuerpo del orden de cien billones de neutrinos procedentes del Sol, además de contribuciones mucho menores de la Tierra, la atmósfera y el cosmos lejano. Estos términos identifican las principales familias, tratadas con más calma en fuentes de neutrinos.

• Flujo - Número de partículas que atraviesan una superficie por unidad de área y de tiempo. Es la magnitud con la que se comparan unas fuentes con otras.
• Neutrinos solares - Producidos por la fusión de hidrógeno en el núcleo del Sol. Llegan a la Tierra del orden de 6 × 10^10 por centímetro cuadrado y segundo; ver neutrinos solares.
• Neutrinos atmosféricos - Nacen en las cascadas que los rayos cósmicos generan en la alta atmósfera, sobre todo por desintegración de piones y muones; ver neutrinos atmosféricos.
• Neutrinos de reactor - Antineutrinos electrónicos emitidos por la desintegración beta de los fragmentos de fisión. Un reactor de gran potencia libera del orden de 10^20 por segundo; ver neutrinos de reactor.
• Geoneutrinos - Antineutrinos procedentes de la desintegración de uranio, torio y potasio-40 en el interior terrestre. KamLAND y Borexino los han medido; ver geoneutrinos.
• Neutrinos de supernova - Se llevan alrededor del 99 % de la energía liberada en un colapso estelar. De la supernova SN 1987A se registraron unas dos docenas de sucesos repartidos en tres detectores; ver neutrinos de supernova.
• Fondo cósmico de neutrinos - Reliquia del universo cuando tenía apenas un segundo, hoy enfriada hasta unos 1,95 K. Está predicha por la cosmología, pero aún no se ha detectado de forma directa; ver fondo cósmico de neutrinos.
• Neutrinos de acelerador - Haces artificiales obtenidos al hacer decaer piones y kaones creados con protones de alta energía; permiten estudiar la oscilación a una distancia controlada.
• Neutrinos astrofísicos - Partículas de altísima energía procedentes de aceleradores cósmicos lejanos. IceCube confirmó la existencia de este flujo difuso en 2013.

Detección: cómo se observa lo casi invisible

Un neutrino de baja energía podría atravesar años luz de plomo sin interactuar, así que detectarlo exige volúmenes enormes, mucho silencio radiactivo y paciencia. Estos son los términos que aparecen en cualquier descripción de un detector.

• Sección eficaz - Medida de la probabilidad de que se produzca una interacción, expresada como un área. La del neutrino es diminuta y crece con la energía.
• Radiación de Cherenkov - Destello de luz que emite una partícula cargada cuando se mueve por un medio más deprisa que la luz en ese mismo medio; ver radiación de Cherenkov.
• Centelleador - Material que emite destellos al paso de radiación ionizante. El centelleador líquido es la base de Borexino, KamLAND y JUNO; ver qué es un centelleador.
• Fotomultiplicador (PMT) - Tubo capaz de convertir fotones individuales en un pulso eléctrico medible. Miles de ellos tapizan las paredes de los grandes detectores; ver tubo fotomultiplicador.
• Desintegración beta inversa - Reacción en la que un antineutrino electrónico y un protón dan un neutrón y un positrón. Es el canal principal en los detectores de reactor y exige al menos 1,8 MeV.
• CEvNS - Dispersión elástica coherente neutrino-núcleo: el neutrino rebota en el núcleo entero en lugar de en sus componentes. Predicha en 1974 y observada por primera vez por la colaboración COHERENT en 2017; ver dispersión elástica coherente.
• Retroceso nuclear - Sacudida diminuta que sufre un núcleo al ser golpeado por una partícula. En CEvNS deja energías del orden del keV, en el límite de lo medible.
• Umbral de energía - Energía mínima que necesita una reacción para producirse, o que necesita un detector para registrar una señal.
• Electronvoltio (eV) - Unidad de energía habitual en física de partículas; sus múltiplos son el keV, el MeV y el GeV. Las masas se expresan en eV dividido por la velocidad de la luz al cuadrado.
• Suceso o evento - Cada interacción candidata que el detector registra, con su energía, su dirección y su instante.
• Fondo (background) - Señales espurias -radiactividad natural, muones atmosféricos- que imitan la señal buscada.
• Laboratorio subterráneo - Instalación excavada bajo cientos o miles de metros de roca para que la montaña filtre los muones cósmicos. Gran Sasso, Kamioka y Sanford son ejemplos clásicos.
• Suelo o niebla de neutrinos - Fondo irreducible de neutrinos que limita la sensibilidad de los experimentos de búsqueda directa de materia oscura; ver niebla de neutrinos.
• TPC de argón líquido - Cámara de proyección temporal que reconstruye en tres dimensiones las trazas dejadas en argón licuado. Es la tecnología elegida por DUNE.
• IceCube - Detector de un kilómetro cúbico de hielo antártico en el Polo Sur, instrumentado con más de 5.000 sensores ópticos.
• Super-Kamiokande - Tanque japonés de unas 50.000 toneladas de agua ultrapura bajo el monte Ikeno. En 1998 aportó la primera prueba sólida de oscilación en neutrinos atmosféricos.
• SNO - Observatorio de agua pesada en Sudbury (Canadá) que a principios de la década de 2000 resolvió el problema de los neutrinos solares al comparar el flujo de neutrinos electrónicos con el de los tres sabores juntos.
• KamLAND - Detector de centelleador líquido en Kamioka; observó la desaparición de antineutrinos de reactor a gran distancia y, en 2005, los primeros geoneutrinos.
• Borexino - Detector de centelleador líquido del Gran Sasso (Italia); midió neutrinos solares de baja energía y, en 2020, los del ciclo CNO.
• KATRIN - Espectrómetro alemán que pesa el neutrino midiendo con altísima precisión el final del espectro beta del tritio.
• T2K y NOvA - Experimentos de haz de larga distancia, de Tokai a Kamioka y de Fermilab a Ash River, dedicados a la oscilación y a la búsqueda de violación de CP.
• DUNE - Experimento en construcción entre Fermilab y Dakota del Sur: un haz recorrerá unos 1.300 km hasta detectores de argón líquido.
• JUNO - Observatorio chino con unas 20.000 toneladas de centelleador líquido, dedicado sobre todo a determinar el ordenamiento de las masas. Panorama completo en observatorios de neutrinos.

Contexto físico: términos del glosario de física de partículas

Ningún término de neutrinos se entiende del todo aislado del marco teórico que lo sostiene. Este bloque funciona como glosario de física de partículas mínimo para acompañar al resto.

• Interacción débil - Fuerza fundamental de alcance subatómico responsable de la desintegración beta y del cambio de sabor; ver fuerza nuclear débil.
• Bosones W y Z - Mediadores de la interacción débil, descubiertos en el CERN en 1983. Su elevada masa explica el cortísimo alcance de esa fuerza.
• Corriente cargada y corriente neutra - Los dos modos de interacción débil: con intercambio de un bosón W, que cambia la identidad de la partícula, o de un bosón Z, que no la cambia. Las corrientes neutras se detectaron en el CERN en 1973.
• Desintegración beta - Proceso en el que un neutrón se transforma en protón emitiendo un electrón y un antineutrino; ver qué es la desintegración beta.
• Periodo de semidesintegración - Tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos de una muestra radiactiva.
• Modelo Estándar - Teoría que describe las partículas elementales conocidas y tres de las cuatro fuerzas. No incluye la gravedad ni explica de forma natural la masa del neutrino; ver Modelo Estándar.
• Quark - Constituyente de protones y neutrones. Existen seis tipos y, a diferencia de los leptones, sienten la interacción fuerte.
• Bosón - Partícula de espín entero. Los bosones gauge transmiten las fuerzas.
• Bosón de Higgs - Partícula detectada en el CERN en 2012, asociada al campo que da masa a las partículas elementales. La masa del neutrino, sin embargo, no encaja de forma natural en ese esquema.
• Muón - Leptón cargado unas 207 veces más pesado que el electrón, identificado en los rayos cósmicos en los años treinta; ver qué es un muón.
• Materia oscura - Componente no luminosa que domina la gravedad de galaxias y cúmulos. Los neutrinos contribuyen algo, pero son demasiado ligeros para explicarla; ver qué es la materia oscura.
• Antimateria - Conjunto de las antipartículas. Entender por qué el universo contiene más materia que antimateria es una de las motivaciones de la física de neutrinos; ver qué es la antimateria.
• Leptogénesis - Hipótesis según la cual la desintegración de neutrinos muy pesados en el universo primitivo habría generado ese desequilibrio entre materia y antimateria.
• Rayos cósmicos - Núcleos y partículas de alta energía que bombardean la atmósfera y originan los neutrinos atmosféricos; ver rayos cósmicos.
• Astronomía multimensajero - Estudio de una misma fuente combinando luz, neutrinos, rayos cósmicos y ondas gravitacionales; ver astronomía multimensajero.
• Tomografía de neutrinos - Idea de radiografiar el interior de la Tierra midiendo cómo absorbe los neutrinos de alta energía. IceCube ha publicado las primeras estimaciones del perfil de densidad terrestre; ver tomografía de neutrinos.

Energía y materiales: el vocabulario aplicado

El último bloque temático cruza la física de partículas con la ingeniería de materiales. Son los términos que aparecen cuando se habla de aprovechar flujos energéticos ya presentes en el entorno.

• Captación de energía ambiental (energy harvesting) - Aprovechamiento de cantidades pequeñas de energía ya presente en el entorno -luz, gradientes de calor, vibración, ondas electromagnéticas- para alimentar electrónica de bajo consumo; ver captación de energía.
• Energía ambiental - Flujo energético existente en el entorno. Forma parte del balance físico del sistema y solo puede aprovecharse en parte: no es un depósito inagotable.
• Conversión de energía - Transformación de una forma de energía en otra. El total se conserva y siempre hay pérdidas; ver conversión de energía.
• Densidad de potencia - Potencia obtenida por unidad de superficie o de volumen. Es la cifra que decide si una fuente ambiental sirve para un sensor de microvatios o para algo mayor.
• Rendimiento de conversión - Fracción de la energía de entrada que acaba convertida en electricidad útil. Siempre es menor que el 100 %.
• Primer principio de la termodinámica - La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Ningún dispositivo puede entregar más energía de la que recibe.
• Segundo principio de la termodinámica - La entropía de un sistema aislado no disminuye, y ningún ciclo puede convertir íntegramente el calor de un solo foco en trabajo. Es lo que impide extraer trabajo útil de un entorno en equilibrio térmico.
• Grafeno - Lámina de carbono de un solo átomo de espesor con estructura hexagonal, aislada en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov (Nobel de Física de 2010); ver qué es el grafeno.
• Materiales 2D - Familia de materiales de espesor atómico -grafeno, nitruro de boro hexagonal, disulfuro de molibdeno- con propiedades muy distintas de las del material masivo; ver materiales bidimensionales.
• Nanomateriales - Materiales estructurados en la escala del nanómetro, donde la relación entre superficie y volumen cambia el comportamiento físico; ver nanomateriales.
• Silicio dopado - Silicio al que se añaden impurezas controladas para ajustar su conductividad. Es la base de casi toda la electrónica de estado sólido.
• Efecto fotovoltaico - Generación de una tensión eléctrica en un semiconductor iluminado, observado por Becquerel en 1839 y aprovechado por los paneles solares.
• Efecto termoeléctrico o Seebeck - Aparición de una tensión eléctrica entre dos conductores distintos sometidos a una diferencia de temperatura, descrita por Seebeck en 1821; ver generador termoeléctrico.
• Efecto piezoeléctrico - Generación de carga eléctrica en ciertos cristales al deformarse mecánicamente, y el fenómeno inverso; ver piezoelectricidad.
• Rectificación - Conversión de una señal alterna o fluctuante en corriente continua utilizable. Es un paso obligado en casi cualquier esquema de captación ambiental.
• Neutrinovoltaica - Línea de investigación del Neutrino Energy Group sobre multicapas de grafeno y silicio, orientada a estudiar si el flujo ambiental que atraviesa el material (neutrinos, radiación cósmica, gradientes térmicos y ondas electromagnéticas de radiofrecuencia) puede inducir una corriente medible. (Los campos estáticos y el calor ambiental en equilibrio no sirven como fuente: un cuerpo en equilibrio emite y absorbe por igual y los campos estáticos no transportan energía.) Es investigación en desarrollo, sujeta al primer y al segundo principio de la termodinámica, no demostrada y sin producto comercial; ver qué es la neutrinovoltaica.

«Energía libre»: dos significados que conviene no mezclar

Pocas expresiones generan tanta confusión como esta. En termodinámica, «energía libre» es un término técnico perfectamente definido que designa la parte de la energía de un sistema que puede convertirse en trabajo útil en unas condiciones dadas. Nada que ver con «energía gratis».

Fuera de la ciencia, en cambio, la misma etiqueta se usa en internet para describir supuestos aparatos que entregarían más energía de la que consumen, de forma gratuita e ilimitada. Esa descripción corresponde a afirmaciones de terceros, no a una realidad física: contradice el primer principio de la termodinámica y ningún experimento reproducible la ha respaldado jamás. El análisis completo está en energía libre: qué dice la física.

• Energía libre de Gibbs (G) - Definida como G = H − TS, mide el trabajo máximo distinto del de expansión que puede extraerse de un proceso a temperatura y presión constantes. Debe su nombre a Josiah Willard Gibbs.
• Energía libre de Helmholtz (F o A) - Definida como F = U − TS, cumple el mismo papel a temperatura y volumen constantes. Debe su nombre a Hermann von Helmholtz.
• Móvil perpetuo - Máquina imaginaria que funcionaría de forma indefinida sin aporte externo (primera especie, contraria al primer principio) o que convertiría íntegramente el calor ambiental en trabajo (segunda especie, contraria al segundo principio). Ninguna de las dos es realizable.
• «Energía libre» en sentido pseudocientífico - Uso divulgado en foros y vídeos para referirse a energía supuestamente gratuita e ilimitada. Es una afirmación ajena a la física establecida y sin respaldo experimental; no describe ninguna tecnología real.

Lo que este glosario de neutrinos no afirma

Un glosario honesto define también lo que ciertos términos no significan. La idea de una máquina que produzca energía de la nada tiene siglos de historia y un historial de fracasos igual de largo. Hacia 1618, el médico inglés Robert Fludd difundió el diseño de un molino de agua en circuito cerrado que, según él, se realimentaría a sí mismo; nunca funcionó, porque no podía funcionar. En marzo de 1989, Martin Fleischmann y Stanley Pons anunciaron desde la Universidad de Utah haber obtenido «fusión fría» en una célula electroquímica de mesa; los intentos de reproducción independientes fracasaron y la comunidad científica no aceptó el resultado.

La práctica de las oficinas de patentes refleja esa experiencia acumulada. La Oficina Europea de Patentes rechaza las solicitudes de móviles perpetuos porque una invención que contradice leyes físicas bien establecidas no cumple los requisitos de aplicación industrial y de descripción suficiente. La oficina estadounidense, por su parte, se reserva la facultad de exigir un modelo funcional cuando una solicitud parece implicar movimiento perpetuo. En ambos casos la carga de la prueba recae sobre quien afirma, y esa es también la regla que aplicamos aquí.

La neutrinovoltaica no es una excepción a esa regla ni pretende serlo. Se trata de investigación en curso sobre materiales, con resultados de laboratorio en evaluación, sin producto a la venta y sin promesa de rendimiento. Cualquier energía aprovechada tendría que proceder de un flujo ambiental preexistente y quedaría acotada por él, exactamente igual que ocurre con un panel solar o con un generador termoeléctrico.

Si quieres situar este vocabulario en el panorama más amplio de la investigación energética, continúa por nuevas tecnologías energéticas o vuelve al principio del recorrido con qué es un neutrino.