Arrancando secretos al Universo y al maravilloso y extraordinario mundo de la Vida: Observando y explorando el comportamiento de las partículas subatómicas

Cuaderno de Ciencias: El maravilloso mundo subatómico

La física actual está llegando a un nivel de sofisticación y de tecnología, que sus avances y realizaciones son difíciles de creer, pues ellos bien podrían parecer intentar desarrollar algún guión para un film de ciencia ficción, o algún artículo académico orientado a ganar algún "Premio Ig Nobel", esos simpáticos galardones estadounidenses que se entregan cada año a investigadores o grupos de I+D (innovación y desarrollo), por algún erudito y docto estudio pseudo-académico, que mezcla conocimientos científicos de avanzada y tecnología de punta, con resultados francamente extraños por demás, y que más que deslumbrar hacen reír o sonreír a la gente, por la cuota de humor y de misterio y de rareza que se introduce en los análisis y las aplicaciones.


Y en la presente nota de nuestro "Cuaderno de Ciencias", nos permitimos llamar muy especialmente la atención sobre el "Observatorio de Neutrinos" llamado Super-Kamiokande, excavado y construido a mil metros bajo tierra en una mina situada en la Prefectura de Gifu, bien en el centro de Japón. Dicha mina a veces es llamada mina de Mozumi, precisamente por encontrarse en la región de este nombre, cerca de la ciudad de Hida.

El citado es indudablemente un importante e interesante proyecto, cuyo corazón es un cilindro de 40 metros de altura por otros 40 metros de diámetro, que alberga en su interior 50.000 toneladas de agua pura rodeadas por una maraña de 11.000 tubos, que establecen toda una red de detectores de luz y radiación.

Bueno, por cierto debe llamar mucho la atención que se construya un observatorio astronómico bajo tierra, pues lo que estamos acostumbrados es a que estas instalaciones se ubiquen en algún desierto, o en algún pico elevado, o aún en el espacio exterior.


El funcionamiento y la utilidad de un observatorio de neutrinos puede resultar complicado de explicar, y a primera vista lo señalado puede parecer muy extraño.


Debe tenerse en cuenta que los neutrinos son partículas subatómicas realmente pequeñas, muy pequeñas. Estos cuerpos son tan diminutos, que hasta hace bien poco los científicos creían que no tenían masa.

Sin embargo, no hace mucho un grupo de cosmólogos británicos de la "Escuela Universitaria de Londres" descubrió que sí la tienen, evaluando que la correspondiente masa es mil millones de veces menor que la masa de un átomo de hidrógeno (o sea que mil millones de neutrinos podrían igualar la masa de un protón o de un neutrón).


La existencia de los neutrinos se conjeturó por un procedimiento indirecto. En efecto, cuando un neutrón se fracciona formando un electrón y un protón, la suma de los ímpetus del electrón y el protón no es igual al ímpetu de la partícula original. Así y en los modelos teóricos, puede conjeturarse que debe existir otra partícula involucrada en este fenómeno, que lleva el ímpetu que falta; y a esa partícula se la llamó neutrino, pues ella debía ser muy pequeña y no debía tener carga eléctrica.

Como es fácil de deducir, detectar estos neutrinos en forma más o menos directa a través de un experimento, es realmente muy difícil, a pesar de que cada segundo, el Sol bombardea nuestro planeta con millones y millones de ellos. Y por cierto, que en adición también nos llega cierto flujo de neutrinos procedente de fuentes lejanas (por ejemplo, el que tiene su origen en las Supernovas).

Obviamente, debemos entender que la masa y el tamaño de estas partículas son tan pero tan pequeños, que la inmensa mayoría de los neutrinos que atraviesan nuestro mundo, pasan entre los núcleos y los electrones de los átomos sin interactuar ni colisionar para nada con ellos. Simplemente esas partículas atraviesan toda la materia de la Tierra, sin causar ningún efecto, sin colisionar con ninguna otra partícula, y sin desviarse.

Entonces, y ahora refiréndonos al gran experimento de los japoneses, parte de ese importante flujo de neutrinos que llega a nuestro planeta, atraviesa la gran piscina del Super-Kamiokande, sin siquiera tocar ninguna partícula. Simplemente pasan a través de esa masa de agua y siguen su camino.


No obstante, muy de vez en cuando, uno de estos neutrinos choca con una partícula contenida en la piscina (un protón, un electrón, un neutrón, etcétera), y de esa colisión el neutrino involucrado sale despedido a una velocidad que supera la velocidad de la luz en el agua.

Lo que viene de expresarse merece una aclaración.

Recordemos que el límite de velocidad de cualquier cosa en las autopistas del universo es la velocidad de la luz en el vacío, así pues, según las teorías y deducciones ampliamente aceptadas por los científicos, nada puede ir más rápido que la luz en el vacío.

Sin embargo, la velocidad de la luz en el agua es menor que la velocidad de la luz en el vacío (los conocidos 300.000 kilómetros por segundo), y a veces los neutrinos son más rápidos que la luz en el agua, por alguna razón que por cierto no estamos en condiciones de explicar; tal vez, como la masa del neutrino es tan pequeña, al colisionar con otra partícula más grande y al ponerse en juego las varias fuerzas primarias del Universo (fuerzas electromagnéticas, fuerzas nucleares, fuerzas de gravedad), en la colisión el neutrino logra captar un impulso de tal magnitud, que le permite viajar en un medio acuoso a una velocidad superior a la de la propia luz en ese mismo medio.


Y precisamente, esas raras colisiones de neutrinos con otras partículas es lo que se intenta medir y estudiar en el sofisticado observatorio japonés.

Como seguramente la mayoría de los lectores debe saber, cuando un avión supera la velocidad del sonido, o sea lo que se llama mach 1, puede escucharse un fuerte estruendo que precisamente indica que se sobrepasado la barrera del sonido (ver en la imagen abajo, donde un F18 de la armada estadounidense rompe la barrera del sonido).


Pues bien, cuando una partícula supera la velocidad de la luz (en este caso en el agua) también ocurre algo parecido, pero en lugar de ruido, se produce una especie de explosión luminosa que se conoce con el nombre de Radiación de Cherenkov.


Resumiendo, estos espectaculares observatorios subterráneos detectan y estudian esos choques de los neutrinos y la radiación que producen cuando sobrepasan la velocidad de la luz en el agua de sus piscinas.

Como bien podrán comprender entonces los lectores, a veces, para observar y medir lo que ocurre en el Universo, no hay que mirar hacia el cielo. En ocasiones, como en el Colisionador de Hadrones del CERN, para investigar cómo funciona el cosmos, hay que descender algunos kilómetros bajo tierra y allí realizar experimentos y mediciones.

Y un claro ejemplo de lo que viene de expresarse, también lo encontramos en el nuevo Observatorio de neutrinos Ice-Cube, que se ha terminado de construir hace poco bajo los hielos de la Antártida y que ya se ha convertido en el mayor observatorio de este tipo realizado hasta la fecha.


Los experimentos con las partículas subatómicas, nos abre uno de los campos de la ciencia más novedosos y apasionantes que existen. Indudablemente, la observación de neutrinos apenas si está comenzando a dar sus primeros pasos, por lo que, las nuevas instalaciones que se están construyendo con este destino, van a ayudarnos a mejor comprender cómo es que funciona todo ese micromundo del Universo.


Al fin y al cabo, la materia está compuesta de partículas elementales, y los experimentos que se puedan diseñar, sin duda nos permitirán construir una visión distinta de la física, pues nos ayudarán a mejor comprender cómo es que interactúan y reaccionan esos ladrillos fundamentales con los que estamos hechos nosotros mismos, así como todo lo que nos rodea.



Lecturas recomendadas

1. Acerca de Super-Kamiokande
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html

2. Comprendiendo el Universo
http://www.kek.jp/intra-e/index.html

Más documentos gráficos sobre las instalaciones japonesas