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VER LO INVISIBLE

En 1911, el industrial belga Ernest Solvay invitó a veinte de los físicos más importantes del mundo a un congreso en Bruselas. Fue el primero de los «Congresos Solvay», que se harían famosos por el singular papel que desempeñaron para marcar el rumbo de la ciencia a lo largo del siglo XX. En 1927 y 1930 se abordó la mecánica cuántica, que acababa de aparecer y aportaba las ecuaciones largamente buscadas para explicar el comportamiento de los electrones de los átomos. La intención era que el congreso de 1933 se centrara en la aplicación de la mecánica cuántica a la química. No obstante, un aluvión de hallazgos inesperados obligó a cambiar los planes a última hora. Pauli había postulado la existencia del neutrino en 1930. En 1932 se descubrieron el neutrón y el primer ejemplo de antimateria: el análogo positivo del electrón, llamado positrón. Los experimentos con el primer «colisionador de átomos» habían demostrado que el núcleo atómico tenía una estructura rica y compleja, que podía ser alterada por acción humana, y también por la radiactividad espontánea. En 1933, Irene Joliot-Curie, hija de Marie Curie, y su marido Frédéric Joliot demostraron que, en tales fenómenos de «radiactividad artificial», las desintegraciones beta podían dar lugar al positrón de carga positiva con tanta facilidad como al familiar electrón de carga negativa. Como resultado, dos docenas de los principales físicos del mundo se reunieron en el Congreso Solvay durante la semana del 22 al 29 de octubre de 1933, pero no lo hicieron para hablar de química cuántica sino de una nueva ciencia: la física nuclear. Entre los invitados se hallaban Einstein, por supuesto, así como Rutherford, el padre de la física nuclear, y Marie Curie, que padecía una enfermedad terminal a causa de la radiación. También se encontraban presentes Pauli, Fermi y Bohr. A partir de conversaciones que se produjeron entre los tres últimos durante el congreso empezó a madurarse la idea del neutrino como un concepto científico riguroso. Fue sobre todo Fermi quien aclaró dudas como resultado de lo que había aprendido durante aquella semana. La inspiración le llegó cuando Frédéric Joliot describió su descubrimiento de que las desintegraciones beta podían producirse de dos maneras distintas. Todo el mundo había puesto en práctica hasta entonces las emisiones de rayos negativos, que consistían en los bien conocidos electrones, pero Joliot demostró que habían hallado algunos casos en los que se producía el nuevo positrón. Aparte de la aparición de un positrón positivo en lugar de un electrón negativo, el resto parecía ser bastante similar.

Fermi sobresalía a la hora de formarse imágenes mentales. Joliot le inspiró la visualización del núcleo formado por protones y neutrones, los cuales podían cambiar su naturaleza mediante la desintegración beta. Se dio cuenta de que esto implicaba una profunda simetría. Si un neutrón se transformaba en un protón, entonces la carga eléctrica total quedaría equilibrada por la emisión de un electrón con carga negativa, la familiar partícula beta. Pero ¿por qué no imaginar también que, en las circunstancias adecuadas, un protón de un núcleo pudiera convertirse en un neutrón? En este caso, la carga eléctrica quedaría equilibrada por un rayo beta con carga positiva: el positrón. Para Fermi, los protagonistas de esos procesos nucleares eran el neutrón, el protón y las partículas beta, ya fueran electrones o positrones. Solo importaba que se conservara la carga eléctrica.

Esa fue solo la primera de sus inspiraciones. Todo encajaría con la llegada de nuevas noticias.

Pauli se había dado cuenta de que podía haber una manera de saber si un neutrino ligero acompañaba la emisión de una partícula beta con carga eléctrica. Si el espectro de energía de los rayos beta podía medirse con mucha precisión, podría descubrirse si sus energías continuaban hasta un máximo, y entonces se detenían, o si seguían de manera indefinida. Bohr creía que la conservación de la energía solo era cierta al establecer un promedio sobre un gran número de casos, y se violaba en los eventos individuales. Por consiguiente, el espectro de las energías de las partículas beta podía extenderse sin fin.[10] En cambio, si el espectro de energía se interrumpía de manera abrupta para cierta cantidad finita, eso reivindicaría a Pauli. Se tuvo en cuenta su sugerencia de que los físicos midieran el espectro de energía con sumo cuidado en el extremo de altas energías, para determinar si continuaba con suavidad o se detenía de repente. Los resultados se anunciaron en el congreso: lo cierto era que había un claro límite superior al espectro.

A Pauli esto le sonaba a música celestial, y lo convenció de que su idea de que existía un tercer invitado invisible a la fiesta era correcta. En la discusión que siguió, se levantó y anunció su idea del neutrino:

Su masa no puede ser muy superior a la del electrón. Para distinguirlos de los neutrones masivos, el señor Fermi ha propuesto llamarlos «neutrinos». Es posible que la masa propia de los neutrinos sea cero [...] Me parece plausible que los neutrinos tengan espín ½ [...] No sabemos nada de la interacción de los neutrinos con las otras partículas de materia o con los fotones.

Ya estaba todo a punto para que Fermi formulara su teoría de la desintegración beta en la que el neutrino de Pauli desempeñaría un papel fundamental.

LA TEORÍA DE FERMI

Fermi empezó con ella nada más volver del Congreso Solvay. Para desarrollar su idea tuvo en cuenta todo lo que Pauli había propuesto, junto a lo que había aprendido en el congreso: el papel del neutrón y del protón, la convicción de que realmente había un neutrino en la desintegración beta, y también la nueva teoría de la electrodinámica cuántica. Supuso que la energía y la cantidad de movimiento se conservaban en la desintegración beta, y que la rotación —el momento angular o espín— también se conservaba.

Las partículas tienen un momento angular intrínseco: el espín. La teoría cuántica demuestra que este solo puede adquirir ciertos valores que son múltiplos, o bien impares o bien pares, de una unidad básica. Por razones históricas, dicha unidad básica del espín se conoce como ½, de modo que los múltiplos impares son mitades de números enteros, y los múltiplos pares son números enteros. Actualmente, las partículas del primer tipo se llaman «fermiones», por Enrico Fermi, y las del segundo, «bosones», por el físico teórico indio Satyendra Bose. Los protagonistas de nuestra historia serán los fermiones.

El protón es un fermión de espín ½. La anomalía del espín del núcleo de nitrógeno había impulsado a Pauli a postular la existencia del neutrón, cuyo espín también es ½, para obtener el espín total correcto de dicho núcleo. El electrón también tiene espín ½, un hecho que se deduce de los espectros atómicos y del modo en que los átomos responden a los campos magnéticos.

En mecánica cuántica, las reglas del espín dicen que dos mitades hacen un todo pero que, para obtener otra mitad, se necesitan tres. Así pues, la desintegración beta de un neutrón en un protón y un electrón no puede ser todo: el neutrón inicial tiene espín ½, de modo que cuando se desintegra debe aparecer una cantidad impar de partículas de espín ½. Era, pues, necesario que el protón y el electrón estuvieran acompañados por una tercera partícula, de espín ½ y sin carga eléctrica: el neutrino.

Fermi había identificado a los protagonistas de la obra. Entonces hizo la primera tentativa de averiguar cuál era el argumento. Su idea se basó también en la observación de que el neutrón parece un protón sin carga eléctrica, y supuso que el neutrino guarda una relación parecida con el electrón. Entonces usó este paralelismo entre el electrón y el neutrino, y entre el protón y el neutrón, junto a la nueva y exitosa teoría sobre la luz y las partículas con carga eléctrica —la electrodinámica cuántica— como base para su teoría de la desintegración beta. Supuso que las cuatro partículas podían ocupar momentáneamente un mismo punto del espacio y el tiempo. Con arreglo a su esquema, un neutrón podía transformarse de manera espontánea en un protón, y emitir un electrón (la partícula beta) y un neutrino (la partícula fantasma).

En la actualidad sabemos que esto no es todo, pues hay una pequeña diferencia entre el lugar donde el neutrón se convierte en protón, y la ubicación donde la energía y la carga eléctrica liberadas se rematerializan como un electrón y un neutrino. No obstante, esta diferencia es más pequeña

FIGURA 2. El modelo de Fermi de la desintegración beta. En el modelo de Fermi, un neutrón representado por nº se convierte en un protón p⁺, un electrón e^-, y un neutrino vº en un mismo punto del espacio. Los superíndices denotan la carga eléctrica que tiene cada partícula si tomamos como referencia la carga del protón, y el signo indica si es negativa o positiva.

que el tamaño de un neutrón. En tiempos de Fermi no era posible distinguir el tamaño de un núcleo entero, y menos aún los de un neutrón o un protón individual. De hecho, el modelo de Fermi era tan bueno que incluso hoy en día sigue siendo la introducción estándar a la teoría de la desintegración beta para los estudiantes de la carrera de Física.

Partiendo de esa teoría, Fermi pudo determinar qué aspecto debería tener el espectro de energía de los electrones que se producen en las desintegraciones beta. Todo resultó ser tal como se había descubierto en los experimentos, incluso la interrupción en el extremo de altas energías. Todo junto implicaba que la masa del neutrino podía ser, a lo sumo, una fracción diminuta de la del electrón, y que podía ser incluso nula. Se hicieron medidas incluso más cuidadosas, y al compararlas con la teoría de Fermi demostraron que el neutrino gira a la misma velocidad que el neutrón, el protón y el electrón. Todo lo que Fermi había supuesto estaba resultando cierto.

A pesar de dichos éxitos, muchos físicos no creían en la existencia real del neutrino. Faltaba un neutrino libre que fuera absorbido por algo, que afectara a la materia preexistente, chocara con ella y provocase algún cambio, de modo que revelara su propia existencia. Cuando Fermi publicó su artículo en 1934, se puso de manifiesto la falta generalizada de entusiasmo respecto al neutrino.

Envió el artículo, titulado «Teoría tentativa de los rayos beta», a la revista científica más importante en lengua inglesa, Nature. El editor rechazó una de las obras capitales de Fermi en el campo de la física teórica, pues había recibido informaciones de que el manuscrito contenía «especulaciones demasiado alejadas de la realidad para interesar al lector». Medio siglo después, los editores admitieron que esta había sido su peor metedura de pata. Al final el artículo fue publicado en italiano por Nuovo Cimento, y poco después en alemán por Zeitschrift fur Physik, pero no apareció en inglés.

Lo que Fermi hizo con su teoría fue tomarse en serio la idea del neutrino, y hacer una propuesta basada en el recién descubierto neutrón y las leyes de la mecánica cuántica. Estas permitían que un neutrón de un núcleo se convirtiera de manera espontánea en un protón, y emitiera un electrón (la partícula beta) y un neutrino. Cierto es que era especulativo, y quizás imposible de comprobar, como Pauli había aventurado, pero ¿«demasiado alejado de la realidad» y sin «interés»? Ciertamente no.

Fermi quedó tan agotado con estas vicisitudes que decidió pasarse de la física teórica a la experimental «durante un tiempo».[11] Resultó que los experimentos se convirtieron en un proyecto muy absorbente que lo mantendría ocupado durante muchos años, y a la larga conduciría a los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strasseman, y a la de origen austríaco Lise Meitner, a descubrir la fisión del uranio, con todo lo que eso conllevaría. Sin embargo, la teoría de Fermi no cayó en el olvido y acabó abriendo el camino para que la hipótesis de Pauli sobre el neutrino fuera científicamente comprobada.

EL NEUTRINO EMPIEZA A VOLVERSE REAL

La hipótesis de Fermi de que los cuatro protagonistas podían encontrarse e intercambiar sus identidades en un punto hacía algo más que describir la desintegración beta: la teoría implicaba que un neutrino podía chocar contra un neutrón y convertirlo en un protón y un electrón; es decir, como una desintegración beta, pero al revés. De repente, con la teoría de Fermi, el neutrino había dejado de ser una especie de abreviatura de «energía perdida», que en el fondo era todo a lo que la idea de Pauli se reducía hasta entonces. Si el neutrino existe realmente, lleva aquella energía consigo hasta que choca contra algo. La teoría de Fermi había abierto la posibilidad de que el neutrino fuera revelado.

Así como se detecta al protagonista de El hombre invisible de H. G. Wells al abrirse paso entre la multitud, del mismo modo el fantasmal neutrino de la teoría de Fermi podía chocar con un núcleo atómico, obtener carga eléctrica y convertirse en un electrón visible. Al observar el objeto que recibe el impacto, y desconocer la presencia del neutrino, se podría interpretar el movimiento brusco de la diana o la aparición de un electrón de alta velocidad como una sorprendente creación espontánea de energía; es decir, lo opuesto a la misteriosa pérdida de energía en la desintegración beta. Si ambas energías coincidieran con precisión, la explicación natural sería que Pauli y Fermi habían acertado: un agente invisible, creado en la desintegración beta, transportaría energía a través del espacio hasta que el portador fuera destruido y su energía transferida, como el testigo en una carrera de relevos a escala subatómica.

Hasta aquí, todo bien. Sin embargo, muchas buenas ideas perecen tan pronto como se entra en detalles. La teoría de Fermi no solo decía que un neutrino podía adquirir carga eléctrica y darse a conocer al chocar con materia, sino que también predecía en qué circunstancias lo haría, y con qué probabilidad. Aquí fue donde empezaron las dificultades.

En 1934 había suficientes datos sobre desintegraciones beta en varios elementos para que la teoría de Fermi pudiera dictar la probabilidad aproximada de que un neutrino, un electrón, un neutrón y un protón intercambiaran sus identidades en un mismo punto. Resultó ser insignificante.[12] Hans Bethe y Rudolf Peierls, dos de los mejores físicos teóricos de las nuevas generaciones, se dieron cuenta de que con dicha información y la teoría de Fermi podían calcular la probabilidad de interacción entre los neutrinos y la materia, un fenómeno que podía interceptar un neutrino en pleno vuelo, y revelarlo.[13] Las esperanzas de que la idea de Fermi llevara al descubrimiento del neutrino duraron poco. Bethe y Peierls hallaron que la probabilidad de que los neutrinos se dieran a conocer de este modo eran minúsculas. Su cálculo implicaba que un neutrino producido en una desintegración beta podía atravesar toda la Tierra sin interrupción «como una bala a través de un banco de niebla».

A la interacción entre un neutrino y la materia se la llamó «fuerza débil», pues se había visto que un neutrino tenía una probabilidad insignificante de interactuar con ninguna otra cosa. Al ser eléctricamente neutro, el neutrino no responde a las fuerzas electromagnéticas que mantienen unidas a las moléculas. Tampoco siente las fuerzas fuertes que sujetan a los núcleos atómicos. Solo siente la gravedad y la fuerza débil. La probabilidad de que un neutrino se diera a conocer chocando contra un núcleo en algún material era tan pequeña que la opinión general coincidía con la conclusión de Bethe y Peierls: «No hay ningún modo posible, en la práctica, de observar al neutrino».

Si cualquier otro que no fuera Pauli hubiera propuesto la existencia de una partícula que fuese invisible a todos los efectos, revelada solo por la «aparente» violación de la conservación de la energía en un misterioso proceso nuclear, el mismo Pauli podría haber rechazado la idea por no estar «ni siquiera equivocada», como hizo en su célebre crítica. Quizá su apuesta de una caja de champán contra la posibilidad de que el neutrino fuera detectado, lo que se convirtió en un comentario autocrítico, lo ayudó a eludir tales descalificaciones. Cada vez daba más la impresión de que Pauli se había inventado un pedazo de nada que desaparecía antes de que nos diéramos cuenta, y que incluso si se rodease el lugar con los muros de una prisión de plomo macizo de un año-luz de grosor, los neutrinos tendrían ocasión de escapar. El neutrino parecía la pesadilla de un físico teórico, una bonita idea destinada a permanecer fuera del alcance de la experimentación por los siglos de los siglos. En cualquier caso, se acabó olvidando la cuestión acerca de si alguna vez podría sacarse al neutrino de su madriguera y demostrar que era real, pues los físicos se vieron implicados en la Segunda Guerra Mundial. La fisión nuclear, el resultado de la desesperación de Fermi tras su intento fallido de publicar en Nature, llenaba sus radares figurados. La apuesta de Pauli quedó sin responder durante más de un cuarto de siglo.