Conservación del momento lineal: el descubrimiento del neutrino

En esta entrada quiero mostraros cómo la ley de conservación del momento lineal puede llevarnos a conclusiones muy, muy poderosas.

Las desintegraciones β son aquellas en las que un neutrón se transforma en un protón más un electrón. Sin embargo, hacia 1930, esto planteaba varios problemas. Entre ellos, que no se cumplía la conservación del momento.

Esquema (incompleto) de una desintegración beta

Sabéis que si un objeto que está inicialmente en reposo (por tanto con P_i = 0) se desintegra en dos partes, éstas saldrán despedidas en sentidos opuestos. Es lo mismo que le ocurre al saltamontes que salta en una rama y ésta retrocede, o el calamar que expulsa un chorro de tinta. El objeto retrocede siguiendo exactamente la misma dirección que el animal, pero en sentido opuesto. Además, una vez que las masas están fijadas, las velocidades también lo están. Es decir, que si un objeto se desintegra en dos partes, de masas m y M, si se repite la desintegración y se vuelve a romper en pedazos de masas m y M, las velocidades de cada trozo son las mismas que la  vez anterior. Esto se cumple para desintegraciones en dos pedazos, pero no en tres. Si la descomposición es en tres partes, las velocidades de los productos pueden variar, y además no salen necesariamente alineados.

Desintegración a 2 y 3 cuerpos

En el caso de la desintegración β, si un neutrón se desintegra en un protón y un electrón, estos deberían salir en sentidos opuestos y además, como las masas del protón y el electrón tienen valores fijos, en cada desintegración, la velocidad (o el momento, que es el producto de ésta por la masa) del electrón debería ser la misma.

Sin embargo, esto no era lo que se observaba. El protón (o el núcleo residual) y el electrón no salían formando un ángulo de 180º y además, el momento del electrón variaba enormemente de unas veces a otras. Esto planteó un serio problema a la comunidad científica, ya que las desintegraciones β parecían violar la conservación de momento, que había sido verificada durante cientos de años y era consecuencia ni más ni menos que de las leyes de Newton.

Para resolver esta paradoja, Wolfgang Pauli, un científico austríaco, se atrevió a postular que en realidad el neutrón se desintegraba en 3 partículas, y no en 2. De este modo, se permitía la posibilidad de que la conservación de momento se siguiera cumpliendo. Pero entonces, la pregunta es inmediata, ¿verdad? ¿Por qué no se “ve” (detecta) esta tercera partícula? Pauli postuló que esta tercera partícula no aparecía porque era indetectable con la tecnología del momento. Debía tener además carga neutra para que se conservara la carga durante la desintegración β. Dicha partícula recibió el nombre de neutrino, por su carga neutra y lo pequeña y escurridiza que parecía ser.

No fue hasta 25 años después, en 1956, que se detectaron por primera vez neutrinos en un experimento realizado en un reactor nuclear. Se tardó tanto debido precisamente a lo altísimamente improbable que es que un neutrino interaccione con cualquier tipo de materia. Hoy sabemos muchas más cosas de los neutrinos, que son una de las partículas elementales con propiedades más fascinantes que conocemos. Pero no debemos olvidar que mucho antes de que se descubrieran, la ley de conservación del momento había permitido deducir su existencia.