•Notícia

L’Univers està format per diversos tipus de partícules elementals (quarks, leptons i neutrins) que es combinen entre si per construir tot allò que es veu i tot allò que no es veu.

Les partícules més abundants són els neutrins. Els primers es van originar fraccions de segon després del Big Bang i des dels dos primers segons de vida viatgen lliurement a través de l’espai. Els físics creuen que hi ha un fons còsmic de neutrins, “el que passa és que és tan inabastable que segurament no es podrà detectar mai”, afirma Jordi José, del Departament de Física i Enginyeria Nuclear de la UPC.

Dels neutrins, encara avui en sabem poques coses. Jordi José explica que són partícules minúscules, amb massa —si bé inicialment es creia que no en tenien— i sense càrrega elèctrica.

S’estima que cada segon 66.000 milions de neutrins travessen cada centímetre quadrat de pell de cada persona de la Terra. Entren al cos humà i tornen a sortir sense que ens n’adonem. Després, penetren el sòl, creuen la Terra a gairebé la velocitat de la llum i tornen a sortir pels antípodes sense haver xocat amb res, perquè no interactuen amb cap dels àtoms pels quals passen.

“Els neutrins —continua l’investigador— travessen la Terra com si fos mantega, contínuament, i nosaltres som gairebé transparents per a aquestes partícules. De fet, la probabilitat que afectin alguna partícula del nostre cos és d’una sola interacció en 70 anys. Això dóna una idea de per què són difícils de detectar.” Els neutrins es van postular teòricament abans que se’n conegués l’existència. La història és la següent: a principis del segle passat es va comprovar que en l’anomenada desintegració beta (procés que consisteix en l’emissió d’un electró per part del nucli d’un àtom radioactiu) alguna cosa no quadrava. El problema era que l’energia de l’àtom inicial abans de la desintegració era superior a la dels components al final del procés, sense que se sabés per què. Aquest fet qüestionava un dels pilars fonamentals de la física: la conservació de l’energia (“l’energia no es crea ni es destrueix, només es transforma”).

Per resoldre aquesta qüestió, el 1930 el físic austríac Wolfgang Pauli va suggerir l’existència d’una nova partícula elemental invisible o difícil de detectar que s’emetia juntament amb l’electró i s’emportava l’energia aparentment desapareguda. Respecte a aquesta partícula, va fer diverses prediccions. No tindria càrrega elèctrica, hauria de tenir una gran facilitat per penetrar en la matèria i la seva massa hauria de ser zero, o propera a aquest valor.

El 1933 el físic italià Enrico Fermi la va batejar amb el nom de neutrino (“petit neutró” en italià). Però l’existència d’aquesta partícula no es va descobrir experimentalment fins 25 anys després que l’hagués proposada Pauli. El 1956 els físics nord-americans Clyde Cowan i Frederick Reines van poder detectar el rastre inequívoc d’una reacció nuclear que només podia haver iniciat un neutrí (en realitat era un antineutrí).

El Sol és una font intensa de neutrins. “Es calcula que el Sol emet uns 10³⁸ (cent bilions de bilions de bilions) neutrins per segon a causa de les reaccions nuclears originades a l‘interior”, explica el professor Anuj R. Parikh, del Departament de Física i Enginyeria Nuclear de la UPC. A la Terra només hi arriba una petita part d’aquest enorme flux. Però per als científics que els estudien són missatgers que permeten estudiar l’interior del Sol i els seus mecanismes de funcionament.

Durant dècades un dels grans enigmes pel que fa als neutrins va ser la discrepància entre el nombre de neutrins procedents del Sol que arribaven a la Terra i els models solars. Els experiments per detectar neutrins solars van començar en la dècada de 1960. Un dels pioners en aquest camp va ser l’astrofísic nordamericà i premi Nobel Raymond Davis. Els resultats dels seus experiments van començar a evidenciar que arribaven a la Terra un terç menys de neutrins del que predeien els models teòrics de l’interior del Sol. És el que es va anomenar problema dels neutrins solars. Les dades acumulades implicaven que els models solars eren incorrectes o bé que alguna cosa succeïa als neutrins en els 150 milions de quilòmetres de viatge del Sol a la Terra.

La solució a aquest misteri va arribar anys després. El 1969 els físics teòrics Bruno Pontecorvo i Vladimir Gribov van ser els primers a suggerir que canvis (oscil·lacions) entre diferents tipus de neutrins podrien ser els responsables de l’aparent dèficit de neutrins. Des d’aleshores diversos experiments han confirmat aquesta hipòtesi: els neutrins generats al Sol mitjançant reaccions nuclears s’anomenen neutrins electrònics (una de les tres varietats de neutrins conegudes), però una part d’aquests canvia “d’identitat” mentre viatja. Un dels àmbits d’interès de l’astrofísica és l’estudi del funcionament de les estrelles com a forns de transformació nuclear. Per fer això, els científics necessiten desenvolupar models teòrics que expliquin, per exemple, quins són els processos de producció d’energia a l’interior del Sol.

A partir de la lluminositat aparent del Sol (la llum que es pot observar) i la seva distància a la Terra se’n pot deduir la lluminositat absoluta i, per tant, la temperatura. “A partir de la temperatura podem saber quantes reaccions nuclears s’hi produeixen. Es calcula que el Sol fusiona 600 milions de tones d’hidrogen per segon. És amb aquestes dades que es pot estimar el flux de neutrins que es generen al seu interior i també els que haurien d’arribar a la Terra”, diu el professor Jordi José.

Els neutrins ajuden, doncs, a afinar els models solars i, per extensió, els models de com funcionen les estrelles. Són un mecanisme interessant per obtenir informació de l’interior del Sol, però també són importants “com a font de refredament de les estrelles”, afegeix Anuj R. Parikh.

Un bon model d’astrofísica necessita un bon model de quants neutrins es generen i quanta energia s’enduen i, alhora, un bon coneixement dels processos nuclears que tenen lloc a les estrelles. Jordi José dissenya models d’explosions estel·lars (com ara noves o fonts eruptives de raigs X) i Parikh intenta reproduir en el laboratori les condicions que hi ha a les estrelles, per determinar experimentalment els ritmes als quals es produeixen les reaccions de fusió nuclear. Per a aquests investigadors, els neutrins són una eina més. “Els nostres càlculs els tenen en compte. És en aquest sentit que en som usuaris, més que no pas per analitzar- ne les propietats detalladament”, conclouen.