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.

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.

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:

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.

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.

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).

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.