Un grupo de investigadores de las Universidades de Rochester y Carolina del Norte ha conseguido, por primera vez, enviar un mensaje utilizando un haz de neutrinos, diminutas partículas prácticamente sin masa y que recorren el Universo a la velocidad de la luz. El mensaje fue enviado a través de 240 metros de sólida roca. Cuando llegó al otro lado, los científicos pudieron leerlo perfectamente. El texto decía, sencillamente «Neutrino». El experimento, que se publicará en la revista Modern Physics Letters A, abre la posibilidad a nuevos sistemas de comunicaciones en el que no serían necesarios cables ni satélites.
«Utilizando neutrinos – afirma Dan Stancil, de la Universidad de Carolina del Norte y autor principal del estudio – será posible la comunicación entre dos puntos cualquiera de la Tierra sin necesidad de utilizar cables ni satélites. Los sistemas de comunicación por neutrinos son mucho más complejos que los actuales, pero pueden tener importantes usos estratégicos».
Son muchos los que hasta ahora habían teorizado soble la posibilidad de utilizar neutrinos en las comunicaciones. Y ello a causa de una de sus principales propiedades: su capacidad de pasar a través de prácticamente todo lo que encuentran a su paso. En efecto, su masa es tan escasa que apenas interactúan con el resto de la materia. Billones de neutrinos procedentes del Sol pasan cada segundo a través de cada centímetro de la Tierra, atravesando el planeta limpiamente, como si fuera vacío.
Desde un submarino
Si la tecnología probada por Stancil y sus colegas pudiera instalarse, por ejemplo, en un submarino, éste podría comunicarse sin problema a grandes distancias enviando mensajes a través del agua. Algo que resulta difícil, a menudo imposible, con la tecnología actual. La técnica también sería de extremada utilidad para comunicarse con alguien que estuviera en las antípodas, enviándole el mensaje directamente a través de la Tierra y sin necesidad de rebotar la señal en un sistema de satélites o de enviarla por cable. Incluso si nuestro interlocutor estuviera en la cara oculta de la Luna, o de otro planeta lejano, la comunicación sería posible sin problemas ni impedimentos.
«Por supuesto -afirma Kevin McFarland, otro de los investigadores del experimento – con nuestra actual tecnología se necesita una enorme cantidad de equipos de última generación para transmitir un mensaje usando neutrinos, por lo que hoy por hoy no resulta práctico. Pero el primer paso hacia lo que un día podría ser el uso de neutrinos para las comunicaciones en un sistema práctico es precisamente demostrar que eso es posible con la tecnología actual».
El equipo realizó su histórica prueba en el Fermilab ( Fermi National Accelerator Lab), en las afueras de Chicago. Y utilizó para ello dos elementos de crucial importancia. El primero fue uno de los aceleradores de partículas más potentes del mundo, capaz de crear haces de neutrinos de alta densidad a base de acelerar protones alrededor de un anillo de más de tres km. de circunferencia y hacerlos chocar después contra un bloque de carbono. El segundo fue un enorme detector, de cinco toneladas de peso, llamado MINERvA e instalado en una cueva a más de cien metros de profundidad. Un despliegue de medios que da una ligera idea de lo lejos que está esta tecnología de ser utilizable a gran escala.
Cruzan planetas
La prueba de comunicación se realizó durante un período de dos horas, durante las que el acelerador fue llevado hasta la mitad de su potencia mientras que el detector recogía datos al mismo tiempo en que se enviaba el mensaje. En la actualidad, la mayor parte de las comunicaciones se basan en el envío y la recepción de ondas electromagnéticas.
Es así como las radios, los móviles o los televisores pueden funcionar. Pero las ondas electromagnéticas no atraviesan con facilidad los obstáculos. Montañas y currsos de agua los bloquean, igual que muchos otros elementos sólidos o líquidos. Los neutrinos, sin embargo, pasan sin problema a través de planetas enteros sin ser interferidos ni siquiera por uno de sus átomos.
Y dado que, además de no tener prácticamente masa alguna, tampoco tienen carga eléctrica, los neutrinos no están sujetos a alteraciones magnéticas de ninguna clase y no son alterados por la fuerza de la gravedad. Es decir, que se mueven libremente en cualquier clase de ambiente y condición.
El mensaje que los científicos enviaron usando el haz de neutrinos fue traducido, primero, a código binario. O, dicho de otro modo, la palabra «neutrino» (que fue el mensaje enviado) se representó con una serie de «1» y «0» en los que «1» correspondía al envío de grupos de neutrinos y «0» a la ausencia de envío de grupos de neutrinos.
Los neutrinos, además, fueron «disparados» en grandes grupos ya que debido a su naturaleza evasiva, incluso el enorme detector MINERvA sólo lograba detectar una sola de estas partículas por cada diez billones de neutrinos «disparados». Cada vez que se producía una detección, un ordenador instalado en el lado receptor del mensaje traducía de nuevo el código binario al inglés. El resultado fue la correcta recepción de la palabra «neutrino».
Se trata de partículas que están entre los constituyentes más básicos del Universo. Forman la familia de los Fermiones junto a los quark y los leptones (electrón, muón y tau); Ferminones y bosones son los componentes esenciales de todo lo existente en el cosmos.
Esto significa que no tienen estructura interna, que sepamos, y por tanto que no hay componentes aún más básicos.
Los neutrinos carecen de carga eléctrica y tienen un valor de espín de 1/2. Su masa es muy baja, menos de la milmillonésima que la de un átomo de hidrógeno o diez mil veces más pequeña que la del electrón; esto implica que los neutrinos viajan muy rápido, cerca de la velocidad de la luz.
Como carecen de carga no se ven afectados por las fuerzas electromagnéticas o la nuclear fuerte; de las fuerzas elementales sólo responden a la gravitación y a la fuerza nuclear débil.
Por eso los neutrinos apenas interactúan con la materia normal, lo que los hace muy difíciles de detectar, pues atraviesan sin dejar rastro cualquier grupo de átomos. Haría falta un grosor de plomo de un año luz (9,46 billones de kilómetros) para detener la mitad de los neutrinos que lo atravesasen.
Nosotros somos atravesados por miles de millones de ellos cada segundo sin enterarnos siquiera, y sin posibilidad de notar efecto alguno.
Por eso para detectarlos hacen falta estructuras enormes que se sitúan en las profundidades de minas, para evitar cualquier tipo de falsas mediciones, y emplean gigantescos tanques de sustancias cloradas o agua pesada.
El más importante de estos detectores es el Super-Kamiokande , un tanque de 40 metros de alto por 40 de diámetro lleno de 50.000 toneladas de agua pesadarodeadas por casi 11.000 tubos fotomultiplicadores enterrado a 1.000 m bajo tierra en una mina cerca de Hida (antigua Kamioka) en Gifu, Japón.
Los datos obtenidos con el Super-Kamiokande durante la explosión de la supernova 1987A , cuando neutrinos procedentes de esta explosión llegaron a la Tierra casi a la vez que los fotones, permitieron demostrar la masa del neutrino y acotar por primera vez su valor.
Estos datos también tienen implicaciones sobre la posible velocidad superlumínica detectada en el experimento OPERA, ya que no muestran velocidades anormales.
Tipos y oscilación de los neutrinos
Al principio se pensaba que sólo había un tipo de neutrinos, pero resultó que hay tres,cada uno asociado a una familia de leptones (llamados, con característico ingenio físico, ‘sabores’).
Son el neutrino electrónico (ne), el neutrino muónico (nm) y el neutrino tauónico (nt), a los que se suman sus respectivas antipartículas. Por si fuera poca confusión el hecho de que tengan masa implica, necesariamente, que los diversos tipos de neutrinos pasan de una familia a otra en un proceso llamado oscilación de neutrinos.
El cambio entre las distintas familias (o ‘sabores’) es aleatorio, aunque parece que se produce más frecuentemente en medio de la materia que en el vacío interestelar. Habitualmente los neutrinos aparecen repartidos por igual entre los tres ‘sabores’, según cada uno de ellos va cambiando al azar.
El Llamado ‘Problema de los neutrinos solares’ fue la pista que permitió a los físicos encontrar la oscilación, ya que al observar los neutrinos que nos llegan del Sol se descubrió que sólo nos golpean la tercera parte de los esperados.
Al principio se pensó que la razón del déficit era que el Sol no funcionaba exactamente como predecían nuestro modelos, y que las reacciones nucleares de fusión se producían en su interior de un modo diferente al que creía la ciencia.
Resultó que en nuestra estrella se producen sobre todo neutrinos electrónicos, que en el camino hasta nuestro planeta oscilan a los otros dos sabores, que en los detectores de la época no aparecían.
La más importante fuente de neutrinos, con mucha diferencia, es el Sol.
Las reacciones de fusión en su núcleo producen como residuo esta partícula (en su variante electrónica), que abandona la estrella a una velocidad cercana a la de la luzsin que las estructuras intermedias del Sol molesten o modifiquen su viaje.
Las centrales nucleares también producen neutrinos, así como los aceleradores de partículas. Las propias desintegraciones radiactivas naturales de isótopos de Uranio, Torio y Potasio dentro de nuestro planeta dan lugar a los llamados geoneutrinos, que se están empleando para conocer mejor la estructura de la Tierra.
Fuera del Sistema Solar las principales fuentes de neutrinos son las supernovas de Tipo II, como la SN 1987A. Además se piensa que el Universo entero está ‘empapado’ por neutrinos de baja energía procedentes del Big Bang.
Durante una buena parte de su historia el neutrino fue una partícula teórica.
Wolfgang Pauli propuso en 1930 su existencia para resolver un engorroso problema: cuando los neutrones se desintegran (en la llamada desintegración β) hay una pérdida neta de energía y momento lineal.
Pauli propuso que esa energía perdida salía del sistema transportada por una nueva partícula neutra y casi indetectable; el neutrino.
Hasta mucho más tarde, en 1956, no fue posible demostrar experimentalmente lo que los cálculos de Pauli habían sugerido, cuando Clyde Cowan y Frederick Reines bombardearon agua pura con un haz de neutrones y observaron la emisión de fotones.
La existencia de los otros dos ‘sabores’, los neutrinos tauónicos y muónicos, no se determinó hasta 1987 por Leon Max Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger.
Implicaciones cosmológicas del neutrino
Esta partícula tiene una masa extremadamente reducida, pero su elevada velocidad e ingentes números la convertían en candidata a tener un gran papel en el destino último del Universo en su conjunto.
Este destino está determinado en última instancia por la cantidad de masa que lo compone: si hay poca la expansión iniciada por el Big Bang continuará, y el Cosmos morirá de muerte térmica, transformado en un lugar frío y desolado.
Pero si hay suficiente la fuerza gravitatoria de la materia acabará por detener la expansión y revertirla, con lo que el Fin del Universo será un Big Crunch. Si el neutrino tenía masa, después de todo, y era lo bastante alta podía determinar el resultado.
En 1998 aparecieron las primeras estimaciones precisas de su masa, que resultó serdemasiado pequeña para que juegue un papel vital en el destino del Universo. La materia oscura existe, pero los neutrinos no forman parte de ella.
El estudio de estas partículas, que son emitidas en grandes cantidades por las estrellas, agujeros negros y otros cuerpos celestes, nos permitirá saber más sobre lo que sucede en los confines del Universo. El sueño de muchos científicos es observar el universo mediante neutrinos, como hoy lo hacemos observando los fotones, la luz, los rayos X, la radiación infrarroja, ultravioleta y de microondas, pues cada nueva forma de estudiar el universo nos ofrece muchísimos conocimientos para ir averiguando dónde vivimos, conocer el cosmos. Adiconalmente, el estudio de los neutrinos permitirá poner a prueba el modelo estándar de la física actual, para determinar qué tan preciso es, si se requiere revisarlo o todavía es suficiente para describir lo que conocemos del universo
Mientras que los fotones o las ondas electromagnéticas se ven absorbidas y modificadas por el «medio interestelar» los neutrinos casi carecen de esos problemas, de hecho atraviesan limpiamente la materia oscura y solo se ven afectados minimamente por la gravedad al tener una masa ínfima. Se convierten así en buenos candidatos como medio de comunicación.