Probablemente la noticia que más impacto causó entre los físicos en el 2011 fue el experimento con neutrinos realizado por el equipo OPERA que, quizás, conduzca a una entera reformulación de las teorías físicas emblemáticas del siglo XX.

Los neutrinos son partículas microscópicas pertenecientes a la clase de los leptones que, junto con los quarks y las partículas mensajeras de las fuerzas, forman el grupo de partículas realmente elementales. Los hay de tres clases, cada uno de ellos asociados a los otros leptones “pesados”: el electrón, el muón y el tauón; por tanto existen el neutrino electrónico, el muónico y el tauónico.

Los neutrinos interaccionan muy débilmente con el resto de las partículas materiales debido a que no poseen carga eléctrica y a que tienen una masa extremadamente pequeña.

Hasta hace algunos años se pensaba que los neutrinos no tenían masa y que, por tanto, viajaban a la velocidad de la luz. Sin embargo, en 2001 hubo suficiente evidencia de que los neutrinos que detectábamos procedentes del Sol cambiaban de "sabor".

Es decir, los neutrinos en su desplazamiento pueden convertirse en otra clase distinta a la de su origen –por ejemplo, un neutrino muónico en viaje puede convertirse en un neutrino tauónico y viceversa–, tal fenómeno implica, según la teoría estándar, que los neutrinos no pueden tener masa nula y, por tanto, se desplazan a una velocidad menor que la velocidad de la luz.

Las teorías de la relatividad de Einstein afirman que nada que tenga masa distinta de cero puede viajar siquiera a la velocidad de la luz.

Entonces, ¿Qué pasó el 2011 en el camino desde el CERN al Gran Sasso en el marco del experimento OPERA? Que después de muchas pruebas, todas ellas muy controladas, reduciendo el margen de error hasta donde el avance tecnológico lo permite, resultó que los neutrinos –que tienen masa–, objeto del experimento, viajaban a una velocidad mayor que la de la luz –una fracción de 25 en un millón, pequeña a escala humana pero gigantesca a escala corpuscular. Este es el momento en que se hace un estruendoso silencio –¡qué oxímoron!– en los pasillos del edificio de la Física.

¡Einstein equivocado! ¡Se desploman las teorías basadas en el marco teórico de la relatividad de Einstein! Felizmente, poco a poco la serenidad va poniendo paños fríos donde debe. La explicación es técnica pero aceptable: o el experimento del OPERA está equivocado o las ecuaciones de transformación de Lorentz no son tan generales como habíamos supuesto. Parece que lo último es lo correcto –ojo, aquí “parece” sólo significa que hay una posibilidad de que sea así, no es una aseveración que reclama estatuto definitivo.

No es la primera vez que un conjunto de ecuaciones de transformación relativistas dejan de tener la generalidad que se suponía tenían. A finales del siglo XIX y principios del XX, las transformaciones de Galileo demostraron que no eran compatibles con los fenómenos electromagnéticos descritos por las ecuaciones de Maxwell y dieron paso a las ecuaciones de transformación que “descubrió” el físico neerlandés Hendrik Antoon Lorentz y que, independientemente, formuló e interpretó correctamente Albert Einstein. En las ecuaciones de Galileo el espacio y el tiempo eran absolutos, en el sentido de que una medición de intervalos espaciales y temporales debía ser igual aunque se midiera desde diferentes sistemas de referencia.

La ecuaciones de Lorentz interpretadas a la manera de Einstein conducen a la relatividad especial formulada en 1905 y, por tanto, a la relatividad del espacio y el tiempo: a un profundo cambio en la interpretación que teníamos del mundo.

Ahora, en la primera mitad del siglo XXI, hay un fenómeno que, quizás, exija una formulación más general que las ecuaciones de transformación de Lorentz que pueda dar cuenta de lo que pasó en esos 732 km entre el CERN y el Gran Sasso en Italia.

Los neutrinos, parece, no dejan de causarnos sorpresas. Los neutrinos son una clase de corpúsculos que desafían las mejores teorías sobre partículas elementales. Hace casi 80 años que el extraordinario físico italiano Ettore Majorana propuso que los neutrinos podrían protagonizar un doble decaimiento beta con la consecuencia de que éstos serían sus propias antipartículas.

En octubre de 2011, en Valencia, España, físicos de distintos países y dentro de la Colaboración internacional NEXT, se reunieron con el fin de proyectar el detector que pondría a prueba la predicción de Majorana. De confirmarse este raro fenómeno obligaría a reformular la teoría estándar de partículas elementales.

Como ya hemos explicado, el neutrino pertenece a la clase de los leptones, partículas que a su vez pertenecen a la clase de los fermiones, partículas que cumplen con el principio de exclusión de Pauli –aquí hay que recordar cómo se llenan los orbitales atómicos con electrones con espín up y down. Los fermiones son las únicas partículas que tienen antipartículas, es decir, antifermiones.

La otra gran familia de partículas son los bosones, éstos no cumplen con el principio de exclusión de Pauli y, estrictamente, no tienen antipartículas. Los bosones fundamentales, es decir, las partículas mensajeras de las fuerzas no tienen antipartículas y los bosones compuestos debido a que su composición de quarks siempre es un quark y un antiquark es sólo un acto de convención escoger cuál es la partícula y cuál la antipartícula.

En la actualidad se conoce bien dos procesos de decaimiento beta –llamados así por la presencia de electrones en el resultado del decaimiento–, el decaimiento beta directo donde un neutrón se “transforma” en tres partículas, un protón, un electrón y un antineutrino electrónico; el segundo proceso se conoce como decaimiento beta inverso, donde un neutrón interacciona con un neutrino electrónico produciéndose un protón y un electrón. En ambos casos se conserva el número leptónico, es decir, el número de leptones es el mismo antes y después del decaimiento –nótese que un antineutrino se cancela con un neutrino.

Majorana propuso en 1937 que ambos procesos podrían darse uno a continuación del otro, primero el proceso directo y luego el inverso. Consecuentemente, el antineutrino del primer proceso sería el neutrino del segundo proceso, es decir, el neutrino sería partícula y antipartícula al mismo tiempo.

Aquí podríamos estar ante la siguiente disyuntiva: o la conservación del número leptónico es “violable” en este tipo de fenómenos o hay partículas elementales que se comportan de manera diferente a cómo, hasta ahora, lo ha establecido la teoría. De ser la última opción la correcta, entonces podría abrirse un camino para explicar el desbalance entre materia y antimateria, problema que está por resolverse en la teoría estándar del Big Bang.

Pero no todas las noticias en la Física son desalentadoras, al parecer, estaríase muy cerca de confirmarse la existencia del bosón de Higgs. Es muy probable que en el 2012, la comunidad de físicos esté anunciando el acontecimiento, con lo cual, nuestra confianza en el modelo estándar de partículas elementales se acrecentará aun más. Stephen Hawking perderá la apuesta y todos celebraremos con él que se haya equivocado.

Leandro García Calderón Palomino

31 de diciembre de 2011, en algún lugar entre L´Aquila y Terano