Incluso una aguja muy fina encuentra resistencia en la piel. Una flecha, por más fuerza que tenga el arquero, termina frenada por la diana. La luz atraviesa el vidrio, pero un muro la detiene. Estamos acostumbrados a que la materia oponga resistencia, a que todo lo que se mueve acabe, tarde o temprano, chocando con algo. Sin embargo, existe una partícula que casi nunca lo hace. Se llama neutrino. Trata a personas, rocas, océanos y casi todo cuanto encuentra a su paso como espacio abierto. Cerca de sesenta mil millones de neutrinos procedentes del Sol cruzan cada centímetro cuadrado de piel humana por segundo y prosiguen a través de la corteza, el manto y el núcleo metálico del planeta hasta salir por el lado opuesto. Son fantasmas. Y detectarlos es uno de los grandes problemas de la física moderna.
Durante los duros inviernos australes, cuando las temperaturas rondan los sesenta grados bajo cero, un pequeño equipo permanece en la estación del Polo Sur para mantener en funcionamiento un detector sepultado en el hielo. Allí se registran a menudo neutrinos producidos en la atmósfera terrestre, pero lo que se busca es mucho más escaso: que, por probabilidad —o suerte—, alguno de los pocos neutrinos de muy alta energía llegados del espacio interactúe con la materia y deje una señal. Cuando esto ocurre, los sensores captan diminutos destellos de luz que delatan su paso. Quizá el afortunado haya nacido en el corazón de una galaxia lejana, cerca de un agujero negro situado a miles de millones de años luz. Su viaje pudo comenzar mucho antes de que existieran los seres humanos y terminar en una fracción de segundo bajo el hielo antártico. Francis Halzen (n. 1944), principal impulsor de ese experimento, recibió por él el Premio Nobel de Física de 2026.
Cuentas que no cuadran
Hacia 1930, los físicos se enfrentaban a un problema que parecía desafiar una de las leyes fundamentales de la naturaleza, según la cual la energía no se crea ni se destruye. Al estudiar ciertos átomos radiactivos observaron que sus núcleos expulsaban electrones durante un proceso conocido como Desintegración beta. Lo extraño era que estos salían con energías diferentes y, al hacer las cuentas, siempre parecía faltar una parte. Era como si un contador revisara una y otra vez el balance de una empresa y descubriera que cierta cantidad de dinero había desaparecido. ¿Adónde iba a parar aquella energía? ¿Acaso había que abandonar una ley que hasta entonces parecía incuestionable?
El físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) propuso que, junto con el electrón, debía escapar otra partícula que se llevaba la energía faltante. Esta tendría que carecer de carga eléctrica y ser tan esquiva que nadie había conseguido observarla. Años después, el italiano Enrico Fermi (1901-1954) incorporó aquella hipótesis a su explicación matemática de la desintegración beta y llamó a la misteriosa partícula neutrino, una palabra italiana que significa «pequeño neutro».
Durante más de dos décadas, el neutrino existió para la ciencia principalmente como una explicación teórica, debido a que encontrarlo suponía un reto formidable. La partícula puede recorrer kilómetros de roca, agua o incluso el interior de la Tierra sin interactuar con nada. Aun así, existe una posibilidad, aunque mínima, de que choque con otras partículas. De esa remota probabilidad se valieron los estadounidenses Clyde Cowan (1919-1974) y Frederick Reines (1918-1998) para emprender uno de los experimentos más importantes de la física del siglo XX.
Su idea consistía en aprovechar el torrente de partículas producido por un reactor nuclear. Dentro de estos dispositivos, los núcleos de elementos pesados, como el uranio, se dividen en otros más pequeños y liberan energía mediante un proceso llamado fisión. Los fragmentos resultantes suelen ser inestables y, al desintegrarse, algunos de sus neutrones se transforman en protones, expulsando un electrón y otra partícula conocida como antineutrino. Esta última es la antipartícula del neutrino, es decir, una especie de contraparte que comparte muchas de sus propiedades, incluida la ausencia de carga eléctrica. Aunque ambos son igual de huidizos, los reactores producen grandes cantidades de antineutrinos, lo que los convierte en una fuente apropiada para estudiar a sus esquivos hermanos.
Un primer intento, en 1953, junto al reactor de Hanford, en el estado de Washington, arrojó indicios, pero no resultados concluyentes. Los rayos cósmicos generaban un ruido de fondo que se confundía con la señal buscada. Cowan y Reines rediseñaron entonces el detector y lo trasladaron al reactor de Savannah River, en Carolina del Sur. Allí instalaron varios tanques de agua con cloruro de cadmio disuelto, flanqueados por un material centelleador, con la esperanza de que, entre tantos antineutrinos, alguno terminara chocando con un protón de los átomos de hidrógeno del agua. Cuando esto ocurría, el encuentro producía un neutrón y un positrón, una partícula semejante al electrón, pero con carga positiva. El positrón se aniquilaba casi de inmediato con un electrón y emitía rayos gamma, que el centelleador convertía en un primer destello; el neutrón, al ser capturado por un núcleo de cadmio, liberaba nuevos rayos gamma y provocaba un segundo destello. Los investigadores buscaban precisamente esa pareja de señales, separadas por unos pocos microsegundos, porque su aparición constituiría una evidencia de que habían logrado detectar los antineutrinos. En 1956 anunciaron el hallazgo y enviaron un telegrama a Pauli para comunicarle que la partícula cuya existencia propuso finalmente había dejado una huella observable. El físico austríaco murió dos años después, mientras que Reines recibió el Premio Nobel de Física en 1995. Cowan había fallecido en 1974.
Los neutrinos pertenecen a una familia de partículas elementales llamadas leptones, de la que también forman parte los electrones, y se producen constantemente en el interior de las estrellas, durante ciertas desintegraciones radiactivas y cuando los rayos cósmicos chocan contra la atmósfera terrestre. Su capacidad para penetrar grandes espesores de materia los convierte en mensajeros del universo, ya que pueden escapar incluso del interior de una estrella que colapsa y explota como supernova, transportando información de regiones que la luz difícilmente consigue abandonar.
Estas partículas también desconcertaron a los científicos cuando, desde finales de la década de 1960, los detectores terrestres comenzaron a registrar muchos menos neutrinos solares de los que predecían los cálculos. El Sol solo produce neutrinos de tipo electrónico, y los primeros instrumentos únicamente eran sensibles a ellos. Se sabía, además, que existían otras variedades de las que hoy se conocen tres llamadas electrónica, muónica y tauónica.
La explicación llegó décadas después, al comprobarse que los neutrinos pueden transformarse unos en otros durante su recorrido, de modo que una parte llegaba a la Tierra convertida en variedades que los detectores no veían. Este fenómeno, denominado oscilación de neutrinos, fue demostrado por Takaaki Kajita (n. 1959), con neutrinos producidos en la atmósfera, y por Arthur McDonald (n. 1943), con neutrinos solares, lo que les valió el Premio Nobel de Física de 2015. Su hallazgo probó además que estas partículas poseen masa, contrariamente a lo que establecía la formulación original del modelo estándar. Esa masa, sin embargo, aún no se ha medido directamente. El experimento KATRIN, en Alemania, ha establecido que no supera los 0,45 electronvoltios, menos de una millonésima parte de la masa del electrón, y cada nueva campaña de datos estrecha un poco más ese margen.
Un kilómetro cúbico de hielo
Entonces, ¿cómo atrapar una partícula capaz de cruzar el planeta casi sin interactuar? Francis Halzen, físico belga-estadounidense de la Universidad de Wisconsin-Madison, calculó que necesitaría un volumen gigantesco de material transparente, equipado con miles de sensores capaces de registrar señales luminosas muy débiles.
La Antártida ofrecía las condiciones necesarias gracias a su hielo antiguo y compacto, cuya transparencia aumenta a determinadas profundidades. Entre 2005 y 2010, un equipo internacional perforó con agua caliente e instaló 5.160 sensores distribuidos en 86 cables, situados entre unos 1.450 y 2.450 metros de profundidad. Así nació IceCube, un observatorio que desde 2011 utiliza un kilómetro cúbico de hielo como detector de neutrinos.
En las raras ocasiones en que uno de ellos choca con la materia, puede producir partículas cargadas que se desplazan por el hielo a una velocidad superior a la de la luz en ese medio. Esto no contradice la relatividad: la luz solo alcanza su velocidad máxima, de unos 300.000 kilómetros por segundo, en el vacío; dentro del hielo se frena hasta unos 230.000, y una partícula con suficiente energía puede superar esa cifra sin acercarse nunca al límite absoluto. Durante su recorrido deja un resplandor azulado, conocido como radiación de Cherenkov, semejante a la estela que forma una lancha al avanzar sobre un lago. Los sensores captan esos destellos y, a partir de su intensidad y del momento en que aparecen, los científicos reconstruyen la energía del neutrino y su dirección aproximada de procedencia.
Entre 2010 y 2012, IceCube detectó 28 sucesos con energías de entre unos 30 billones y más de mil billones de electronvoltios (es decir, del orden de 10¹⁵ eV en los más potentes), hasta mil millones de veces la energía de los neutrinos solares, que se mide en millones de electronvoltios. Los resultados, publicados en Science en 2013, mostraron que estas partículas llegaban desde más allá del sistema solar y podían utilizarse para estudiar algunos de los fenómenos más violentos del universo.
El siguiente desafío consistía en descubrir de dónde venían. El 22 de septiembre de 2017, IceCube registró un neutrino cuya trayectoria apuntaba hacia una región concreta del cielo y, en menos de un minuto, envió una alerta automática a observatorios de distintos países. El telescopio espacial Fermi comprobó que en esa dirección había una galaxia que brillaba con una intensidad inusual en rayos gamma, y el telescopio MAGIC, desde las islas Canarias, lo confirmó en tierra. Se trataba de una galaxia situada a unos cuatro mil millones de años luz, con un agujero negro central que expulsaba un potente chorro de partículas casi en dirección a la Tierra. Estos objetos reciben el nombre de blázares, y uno de ellos, identificado como TXS 0506+056, se convirtió en la primera fuente probable de neutrinos cósmicos de alta energía, gracias a una observación coordinada entre detectores de partículas y telescopios que los astrónomos llaman astronomía de múltiples mensajeros.
Lo valioso de estos hallazgos es que los neutrinos viajan por el espacio sin desviarse por los campos magnéticos, a diferencia de otras partículas cósmicas con carga eléctrica. Además, cruzan regiones de materia densa que bloquean la luz, por lo que conservan información sobre su lugar de origen. Esa propiedad permitió que en 2023 IceCube encontrara evidencia de neutrinos de alta energía procedentes del plano de nuestra propia galaxia y construyera una nueva representación de ella a partir de estas partículas. Por estos descubrimientos, que inauguraron la astronomía de neutrinos de alta energía, la Academia sueca distinguió a Halzen. Pero las investigaciones continúan, porque los neutrinos podrían ayudar a resolver otros problemas de la física, entre ellos por qué el universo contiene mucha más materia que antimateria, dos formas de partículas con propiedades opuestas que debieron producirse en cantidades semejantes durante sus primeras etapas. Su diminuta masa influyó también en la formación de las galaxias, mientras que los que provienen del interior terrestre informan sobre el calor generado por la radiactividad, y los de los reactores permiten vigilar su funcionamiento. Entretanto, bajo el hielo antártico, miles de sensores permanecen atentos a los débiles destellos que dejan algunas de estas partículas. Cada uno de esos destellos es una noticia que viajó durante millones de años por el cosmos para contarnos algo que ningún otro mensajero habría podido traer.
