Ahora mismo, mientras lees esta primera línea del post, en un segundo, 65 mil millones de neutrinos (65.000.000.000) procedentes del Sol están atravesando la yema de tu dedo pulgar (1 cm2 aprox.) y tú sin enterarte... Bueno, la yema de tu dedo pulgar y todo tu cuerpo. Y el segundo que viene, otros tantos. Y al otro, y al otro, y... Es de esos datos científicos que escuchas y dices... ¿pero cómo se puede calcular eso?
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| Fotografía: Fundación Ramón Areces |
Fue en la Fundación Ramón Areces, el pasado mes de mayo, cuando la profesora Inés Gil Botella, investigadora científica en el CIEMAT, dio una conferencia titulada "La insoportable levedad de los neutrinos", haciendo un guiño a la novela de título similar de Milan Kundera. La charla fue muy interesante y hasta (casi) entendible para un profano, gracias a la excelente capacidad expositiva de la profesora. Puedes ver la conferencia completa aquí.
Pero, al salir de la charla, yo seguía dándole vueltas a lo mismo: si los neutrinos son tan "leves", si no interaccionan con casi nada, si cuesta Dios y ayuda detectar unas pocas decenas en instalaciones kilométricas a cientos de metros de profundidad... ¿cómo narices se ha llegado a establecer esa magnitud que aparece siempre que se habla de neutrinos: cada segundo, nos llegan del Sol 65 mil millones de neutrinos por cm2?
El hidrógeno sólo tiene 1 protón y 1 electrón. El helio, 2 protones y 2 neutrones. El proceso, como se ve en la figura adjunta, no se da en un solo paso, sino en varios. Y, en cada uno de esos pasos, se emiten una serie de partículas: positrones (que son electrones de carga positiva), rayos gamma y... neutrinos. El símbolo del neutrino es la letra griega "nu", que equivale a nuestra "n", pero que se escribe "ν", que parece una uve.
Lo importante para nuestro razonamiento es que, en el proceso, se liberan 2 neutrinos y una cantidad de energía por segundo que los físicos saben calcular: 4,3*10E-12 Julios (O la mitad, 2,2*10E-12 J, por cada neutrino generado). El exponente (-12) es negativo, lo cual quiere decir que es una cantidad muy muy pequeña. Sin embargo, estas reacciones ocurren miles de millones de veces por segundo, lo que permite mantener al Sol brillando.
Ahora, si podemos calcular la energía que nos llega a la Tierra desde el Sol, podríamos determinar fácilmente, por división, el número de neutrinos. Los astrónomos, utilizando fotómetros de precisión, han calculado la luminosidad del Sol en origen: 3,8*10E26 vatios (lo que equivale a 6 cuatrillones de lámparas de 60W).
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| Disminución de la luminosidad con la distancia (ley del inverso del cuadrado) |
donde L es la luminosidad del Sol en origen y d la distancia.
La formula 4 π d2 es el área de la esfera en la que se van dispersando las partículas con el tiempo.
Como sabemos que la distancia de la Tierra al Sol son 150 millones de km (1,5*10E11 metros), podemos calcular:
Aquí aparecen los famosos 61.000.000.000 de neutrinos por cm2 por segundo (por alguna razón, en la mayoría de publicaciones se habla de 65.000 millones, en lugar de 61.000; será por el número de decimales considerados en los cálculos o porque 65 queda más redondo que 61)
También hay que explicar cómo de vatios, julios y metros se llega a cm2/seg . Lo primero, que 1 vatio es 1 julio/segundo. Y que la distancia al Sol en cm sería 1,5*10E13 cm. Con un poco de paciencia y cuidado, puedes revisar el cálculo y ver que, efectivamente, es lo que sale.
Otro tema de investigación que todavía no está cerrado, como se explica en la charla de la doctora Gil Botella, es la determinación de la masa del neutrino. Que durante muchos años se asumió que era 0, como la del fotón, pero que hoy día ya se admite que tiene que tener masa, muy pequeña, eso sí, para que cuadren los cálculos de las reacciones a nivel atómico.
El consenso actual es que la masa del neutrino tiene que ser inferior a 5,5 eV/c2 (eV es electrón-voltio y c es la velocidad de la luz). Esta peculiar forma de expresar una masa proviene de la conocida ecuación de Einstein, E=m*c2 , de donde una masa, m=E/c2.
La definición de electrón-voltio es la siguiente: es la variación de energía que experimenta un electrón al moverse desde un punto de potencial Va hasta un punto de potencial Vb cuando la diferencia de potencial del campo eléctrico es de 1 voltio. Su valor es 1,602176634 *10E−19 J. De ahí que, aplicando la fórmula anterior (m=E/c2) podemos calcular su masa equivalente, y resulta que 1 eV/c2 = 1,783 * 10E-36 kg
Como la masa de un protón son 1,6726*10E-27 kg, quiere decir que se necesitan, aproximadamente, 10E10 neutrinos (diez mil millones:10.000.000.000) para tener una masa semejante a la de un protón. Es por eso que, aunque en algún momento se pensó que los neutrinos pudieran ser una parte importante de la materia oscura del Universo, esa hipótesis ahora está descartada: la masa del neutrino es demasiado insignificante.
Si después de leer este post, que ya tiene mucho mérito, te asalta la pregunta de... ¿y todo esto para qué?... ¡bienvenido al club!.
(Lo dice muy claro Juan Luis Arsuaga en las primeras líneas del prólogo de su último libro "Nuestro Cuerpo - Siete millones de años de evolución": "La misión del científico no es otra que descubrir las leyes del universo. Buscarle un sentido al mundo no es cosa nuestra")
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| Modelo estándar de partículas elementales, con los tres "sabores" (flavors) de neutrino: electrón, muón y tau |
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Posdata: Desde 2020 está en construcción en Japón el Hyper-Kamiokande (HK o Hyper-K), el detector de neutrinos más grande del mundo, que intentará dilucidar algunos de los grandes misterios del universo. El Hyper-K se construirá dentro de una gigantesca caverna junto a la mina Kamioka de la ciudad de Hida, unos trabajos que costarán cerca de 600 millones de euros. Las operaciones comenzarán en 2027. El detector es un cilindro de 60 metros de altura y 74 metros de diámetro, que contendrá 260.000 toneladas de agua ultrapura. Japón proporcionará aproximadamente el 75% de los fondos totales del proyecto y el resto será cubierto por sus socios internacionales. España es uno de ellos.
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Debe de quedarme algún residuo de mi formación científica, porque estoy de acuerdo con Arsuaga en que "La misión del científico no es otra que descubrir las leyes del universo. Buscarle un sentido al mundo no es cosa nuestra".
ResponderEliminarEl problema es que el mundo del siglo XXI ya sólo funciona en base a leyes del Capitalismo, de modo que no podemos actuar en base a los postulados de la Ilustración precapitalista (siglo XVIII).
Hoy en día la mayor parte de la investigación está financiada por empresas y éstas están obligadas a obtener rentabilidad a corto plazo. Esto no sería muy grave, porque se podría compensar con investigación pública a largo plazo, financiada con los impuestos de esas mismas empresas. Pero aquí tenemos dos problemas, el 1º es obvio, al político le interesan los votos y nadie le votará por financiar la investigación científica, y el 2º es que las empresas pagan los sueldos de la mayoría de los científicos (y como, además, pagan mucho más pueden seleccionar a los mejores, no nos engañemos) y sin embargo desechan casi cualquier cosa que las pueda llevar a negocios fuera de su área de confort, porque las “personas jurídicas” a veces se comportan como las “personas físicas” que las dirigen.
¿Os imagináis a un científico hablando con su CEO de, por ejemplo, un laboratorio farmacéutico o una empresa de plásticos, diciéndole que está a punto de descubrir algo trascendental sobre los neutrinos? Si no lo echa ya podrá dar gracias, pero del “bonus” anual puede olvidarse.
Una pena, porque la gran mayoría de descubrimientos que dieron lugar a los diversos sectores industriales no los hizo alguien que estuviese buscando eso precisamente.
Ya sólo nos queda esperar que la (escasa) investigación pública disponga también de algún buen “vendedor de ideas”, que convenza a alguien de invertir su dinero en un descubrimiento, cuando el coste de sus pruebas empieza a ser prohibitivo para el erario público (un ejemplo de este post: el detector de neutrinos de Japón sólo cuesta 600 millones, poco para cualquier gran empresa, cuyos presupuestos de I+D+I pueden ser miles de millones, pero hasta ahora nadie lo ha construido).
Buen articulo de divulgación, Angel. A ver si me animo y estudio un poco para aportar algo más. Como físico, estos temas me interesan. Si que puedo decir que los neutrones, como los protones, bastante más gordos que los neutrinos, también nos atraviesan a puñados.
ResponderEliminarSobre el comentario de Jordi, es cierto que la investigación fundamental en física tiene menos recursos que la investigación aplicada. Pero también es cierto que la investigación fundamental ha llegado ya muy lejos como para aportar nuevos datos aprovechables a la escala humana. Ampliar el modelo estándar para incluir el graviton o describir la energía oscura no parece que sean de gran utilidad como lo han sido la relatividad (p.ej. el GPS) o la mecánica cuantica. A pesar de ello, se sigue invirtiendo en telescopios o Kamiokandes y eso está bien.
Pienso que hay muchas areas de investigación calificable como aplicada (biología, IA, economia, materiales, etc etc) que merecen más recursos que ampliar las fronteras del conocimiento.
Angel, yo te creo...
ResponderEliminarYo también soy creyente. En mi caso por puritita ignorancia. Hay tanto neutrino suelto y no sabemos para qué... a lo mejor para nada.
ResponderEliminar600 millones!!!!!!, y la gente muriéndose de hambre en Africa... Ahora, yo creo que para consolarlos deberíamos visitarlos y contarlos lo del dedo. Quizá si se comieran......
ResponderEliminarYa veo que como siempre a partir de la quinta pregunta y siempre respetando, acabamos hablando de filosofía o alguna aplicación no reglada. Me ha gustado tu exposición y por supuesto acertadísimos los comentarios de los científicos y amigos. Y esto para que? y el bosson de Higgs par qué? miles de millones gastados sin saber muy bien el objetivo como los viajes a Marte o donde sea. Yo creo y acepto todas las criticas, pero pienso que porque una cosa se pueda hacer no es obligatorio hacerla
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