Los neutrinos siguen siendo las partículas más misteriosas que conocemos

Fuente Starts With A Bang

Los neutrinos, a casi 100 años de haber sido propuestos teóricamente, siguen siendo las partículas más enigmáticas del universo. El artículo “Neutrinos are still the most mysterious particle we know of” (de Ethan Siegel) explora su historia, propiedades, descubrimientos clave y su potencial para resolver los tres mayores misterios de la física moderna: la materia oscura, la asimetría materia-antimateria y la energía oscura.

Si bien los detectores finales de DUNE se ubicarán en Illinois y Dakota del Sur, los detectores de prueba ProtoDUNE, del tamaño de una casa, se ensamblaron y probaron en el CERN, en Europa. Estas dos plataformas de prueba se construyeron en la plataforma de neutrinos de reciente construcción y se llenaron con cientos de toneladas de argón líquido. Con el tiempo, darán lugar al experimento de oscilación de neutrinos más avanzado y preciso jamás realizado. La sensibilidad de DUNE a la materia oscura es un ejemplo de ciencia secundaria que surgirá de este proyecto. Crédito: Jim Shultz/DOE/Fermilab/CERN

Origen teórico: el “pequeño neutral”

En 1930, Wolfgang Pauli propuso la existencia de una partícula invisible para explicar el fenómeno de la desintegración beta, donde un núcleo atómico emite un electrón y cambia de elemento. Las mediciones mostraban que la energía y el momento no se conservaban, lo que era inaceptable para la física. Pauli sugirió que una partícula neutra, muy ligera y difícil de detectar, debía estar escapando del experimento. La llamó “neutrino”, que significa “pequeño neutral” en italiano.

Primeras detecciones: de la teoría a la evidencia

Durante décadas, los neutrinos fueron solo una hipótesis. Su detección directa parecía imposible: se estimaba que un año luz de plomo sólido apenas daría una probabilidad del 50% de interacción con un neutrino. Sin embargo, dos avances lo cambiaron todo:

La comprensión de la fisión nuclear, que permitió construir reactores que emiten grandes cantidades de antineutrinos.
El entendimiento de la fusión solar, que reveló que el Sol produce neutrinos constantemente.

Este diagrama muestra cómo se desintegra un neutrón (o antineutrón) libre a nivel subatómico. Un quark (o antiquark) abajo dentro de un neutrón (o antineutrón), representado a la izquierda en rojo, emite un bosón virtual W- (o W+), que se transforma en un quark (o antiquark) arriba. El bosón W- (o W+) forma un par electrón/antineutrino electrónico (o positrón/neutrino electrónico), mientras que el quark (o antiquark) arriba se recombina con los quarks (o antiquarks) arriba y abajo originales para formar un protón (o antiprotón). Se sabe que este es el proceso que subyace a todas las desintegraciones beta en el Universo. Crédito: Evan Berkowitz/ Centro de Investigación Jülich, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore

En 1956, se logró detectar antineutrinos cerca de un reactor nuclear. Luego, en los años 60, se construyeron detectores subterráneos para observar neutrinos solares. Aunque se detectaron, el número era mucho menor al esperado, lo que dio lugar al “problema del déficit de neutrinos solares”.

El misterio del déficit solar

Los modelos solares predecían una cierta cantidad de neutrinos, pero los detectores solo captaban un tercio. Esto generó varias hipótesis:

– ¿Estaban mal los modelos solares?
– ¿Fallaban los detectores?
– ¿O los neutrinos eran más extraños de lo que se pensaba?

La solución llegó con una idea revolucionaria: los neutrinos tienen masa, aunque muy pequeña, y pueden cambiar de tipo (oscilar) entre electrones, muones y tau. Esto explicaba por qué los detectores diseñados para electrones neutrinos no captaban los otros tipos.

Oscilaciones y mezcla cuántica

Los neutrinos existen en tres sabores: electrón, muón y tau. Pero también tienen tres estados de masa: ν₁, ν₂ y ν₃. Cada sabor es una superposición cuántica de estos estados de masa. Cuando viajan, los neutrinos oscilan entre sabores, dependiendo de la distancia recorrida y si atraviesan materia.

Este fenómeno fue confirmado por experimentos con rayos cósmicos y haces de neutrinos. Las oscilaciones solo son posibles si los neutrinos tienen masa, lo que contradice el Modelo Estándar original, que los consideraba sin masa.

¿Qué tan masivos son?

Los neutrinos son increíblemente ligeros. El electrón tiene una masa de 0.5 MeV, mientras que los neutrinos tienen menos de 1 eV, es decir, más de un millón de veces más ligeros. El experimento KATRIN busca medir directamente sus masas mediante la desintegración del tritio, pero hasta ahora solo ha establecido límites superiores.

¿Son los neutrinos partículas de Majorana?

En el Modelo Estándar, los fermiones son partículas de Dirac: distintas de sus antipartículas. Pero los neutrinos podrían ser partículas de Majorana, es decir, ser su propia antipartícula. Esto permitiría un tipo de desintegración nuclear llamado “doble beta sin neutrinos”, donde un neutrino emitido es absorbido como antineutrino, sin dejar rastro.

Detectar esta desintegración sería revolucionario. Experimentos como GERDA y MAJORANA buscan este fenómeno, pero hasta ahora solo han observado la desintegración doble beta convencional (con dos neutrinos).

Los detectores de neutrinos y antineutrinos funcionan mediante un gran «blanco» con el que interactúan los neutrinos y antineutrinos dentro de un tanque rodeado de tubos fotomultiplicadores. Estos permiten a los científicos reconstruir las características del evento ocurrido en la fuente. En ocasiones, también se aplican intensos campos eléctricos externos, lo que permite generar una segunda señal basada en la ionización interna que se produce dentro del detector debido a los eventos de neutrinos. Crédito: Roy Kaltschmidt, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; Detector de antineutrinos de Daya Bay

Implicaciones cósmicas

Si los neutrinos son de Majorana, podrían resolver tres grandes enigmas:

Materia oscura: podrían existir neutrinos estériles, muy masivos, que interactúan solo gravitacionalmente. Estos podrían ser candidatos a materia oscura.
Asimetría materia-antimateria: los neutrinos podrían haber generado una asimetría de leptones en el universo temprano, que luego se convirtió en asimetría de bariones (materia común).
Energía oscura: la escala de energía de los neutrinos (~0.003 eV) coincide sorprendentemente con la densidad de energía oscura observada. Aunque no hay una teoría sólida que lo conecte, es una coincidencia intrigante.
Experimentos actuales y futuros

La física de neutrinos está en plena expansión. Tres tipos de experimentos están en marcha:

Desintegración beta del tritio: como KATRIN, para medir directamente las masas de ν₁, ν₂ y ν₃.
Desintegración doble beta sin neutrinos: como GERDA y MAJORANA, para probar si los neutrinos son de Majorana.
Oscilaciones de neutrinos: como Hyper-Kamiokande (Japón), DUNE (EE.UU.) y JUNO (China), que buscan entender mejor cómo cambian de sabor y si hay más tipos de neutrinos.

DUNE, por ejemplo, será el experimento más preciso jamás construido para estudiar oscilaciones. Usará detectores gigantes llenos de argón líquido y podría también detectar señales de materia oscura.

¿Por qué son tan especiales?

Los neutrinos son únicos por varias razones:

Son los más abundantes del universo: hay unos 10⁹⁰ neutrinos relictos del Big Bang solo en el universo observable.
Son los más ligeros: su masa es minúscula comparada con cualquier otra partícula.
Son los más escurridizos: atraviesan materia casi sin interactuar.
Son los más prometedores: podrían ser la clave para entender fenómenos que el Modelo Estándar no puede explicar.

Conclusión: el enigma continúa

A 95 años de su propuesta, los neutrinos siguen siendo los más misteriosos. Han desafiado nuestras teorías, revelado nuevas físicas y podrían ser la puerta a una comprensión más profunda del universo. Ethan Siegel concluye que, si la naturaleza es generosa y seguimos investigando, los neutrinos podrían resolver no uno, sino los tres mayores problemas de la física moderna.

Referencia