Cómo una misteriosa partícula podría explicar la antimateria que falta en el universo

Todo lo que vemos a nuestro alrededor, desde el suelo bajo nuestros pies hasta las galaxias más remotas, está hecho de materia. Para los científicos, esto ha supuesto un problema durante mucho tiempo: según las mejores teorías actuales de los físicos, la materia y su contrapartida, la antimateria, deberían haberse creado en cantidades iguales en el momento del big bang. Pero la antimateria es extremadamente rara en el universo. Entonces, ¿qué pasó?

Los físicos aún no saben la respuesta a esa pregunta, pero muchos piensan que la solución debe implicar alguna diferencia sutil en el comportamiento de la materia y la antimateria. Y, en este momento, la vía más prometedora para adentrarse en ese territorio inexplorado se centra en nuevos experimentos con la misteriosa partícula subatómica conocida como neutrino.

“No quiere decir que los neutrinos sean definitivamente la explicación de la asimetría entre la materia y la antimateria, pero una gran clase de modelos que pueden explicar esta asimetría están relacionados con los neutrinos”, afirma Jessica Turner, física teórica de la Universidad de Durham, en el Reino Unido.

Retrocedamos un momento: cuando los físicos hablan de materia, se refieren solo a la materia ordinaria que compone el universo, principalmente protones y neutrones (que forman los núcleos de los átomos), junto con partículas más ligeras como los electrones. Aunque el término “antimateria” suena a ciencia ficción, la antimateria no es tan diferente de la materia ordinaria. Por lo general, la única diferencia es la carga eléctrica: por ejemplo, el positrón, la primera partícula de antimateria que se descubrió, tiene la misma masa que un electrón, pero tiene carga positiva en lugar de negativa. (Las cosas son un poco más complicadas con las partículas eléctricamente neutras. Por ejemplo, se considera que un fotón es su propia antipartícula, pero un antineutrón se diferencia de un neutrón en que está compuesto por antiquarks en lugar de quarks normales).

En la naturaleza pueden existir diversas partículas de antimateria; se encuentran en los rayos cósmicos y en las nubes de tormenta, y se producen mediante ciertos tipos de desintegración radiactiva. (Dado que las personas —y los bananos— contienen una pequeña cantidad de potasio radiactivo, emiten cantidades minúsculas de antimateria en forma de positrones).

Los científicos también han creado pequeñas cantidades de antimateria en aceleradores de partículas y otros experimentos, con gran esfuerzo y costo, lo que ha frenado los sueños de ciencia ficción de cohetes propulsados por antimateria o armas capaces de destruir planetas gracias a ella.

Cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan, liberando energía en forma de radiación. Estos encuentros se rigen por la famosa ecuación de Einstein, E=mc² —la energía es igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz—, que dice que se puede convertir una pequeña cantidad de materia en mucha energía, o viceversa. (Los positrones emitidos por los bananos y los cuerpos tienen tan poca masa que no notamos las minúsculas cantidades de energía que se liberan cuando se aniquilan). Debido a que la materia y la antimateria se aniquilan tan fácilmente, es difícil crear un trozo de antimateria mucho más grande que un átomo, aunque en teoría se podría tener de todo, desde moléculas de antimateria, hasta planetas y estrellas de antimateria.

Pero hay un enigma: si la materia y la antimateria se crearon en cantidades iguales en el momento del big bang, como sugiere la teoría, ¿no deberían haberse aniquilado, dejando un universo compuesto de energía pura? ¿Por qué queda materia?

La mejor hipótesis de los físicos es que algún proceso en el universo primitivo favoreció la producción de materia frente a la de antimateria —pero ese proceso es un misterio, y la pregunta de por qué vivimos en un universo dominado por la materia es uno de los problemas más desconcertantes de toda la física—.

Lo más importante es que los físicos no han sido capaces de pensar en ningún proceso de este tipo que encaje con la teoría más aceptada hoy en día sobre la materia y la energía, conocida como el Modelo Estándar de la física de partículas. Esto lleva a los teóricos a buscar nuevas ideas, alguna física aún desconocida que vaya más allá del Modelo Estándar. Aquí es donde entran en juego los neutrinos.

Una respuesta neutra

Los neutrinos son partículas diminutas sin carga eléctrica. (El nombre se traduce como “el pequeño neutral”). Según el Modelo Estándar, deberían carecer de masa, como los fotones, pero los experimentos iniciados en los años noventa demostraron que, en realidad, tienen una masa minúscula. (Son al menos un millón de veces más ligeros que los electrones, los elementos más ligeros de la materia normal). Dado que los físicos ya saben que los neutrinos violan el Modelo Estándar al tener masa, su esperanza es que aprender más sobre estas diminutas partículas pueda arrojar luz sobre lo que hay más allá.

Sin embargo, los neutrinos han tardado en revelar sus secretos, ya que apenas interactúan con otras partículas. Cada segundo, unos 60.000 millones de neutrinos procedentes del Sol atraviesan cada centímetro cuadrado de nuestra piel. Si esos neutrinos interactuaran con los átomos de nuestro cuerpo, probablemente nos destruirían. En cambio, pasan directamente a través de él. “Es muy probable que no interactúes con un solo neutrino en toda tu vida”, afirma Pedro Machado, físico del Fermilab, cerca de Chicago. “Es muy poco probable”.

Sin embargo, los experimentos han demostrado que los neutrinos “oscilan” mientras viajan, cambiando entre tres identidades diferentes —los físicos denominan estas identidades como “sabores”: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico—. Las mediciones de la oscilación también han revelado que los neutrinos de diferentes sabores tienen masas ligeramente diferentes.

La oscilación de los neutrinos es extraña, pero puede ser útil, ya que podría permitir a los físicos investigar ciertas simetrías fundamentales de la naturaleza, lo que a su vez podría arrojar luz sobre la asimetría más inquietante: el desequilibrio entre la materia y la antimateria en el universo.

Para los investigadores de neutrinos, una simetría clave es la llamada simetría de paridad de carga o CP. En realidad, es una combinación de dos simetrías distintas: cambiar la carga de una partícula convierte la materia en antimateria (o viceversa), mientras que cambiar la paridad de una partícula la convierte en su imagen especular (como convertir un guante para diestros en uno para zurdos). Así, la versión CP opuesta de una partícula de materia ordinaria es una imagen especular de la antipartícula correspondiente. Pero, ¿se comporta esta partícula opuesta exactamente igual que la original? Si no es así, los físicos dicen que se viola la simetría CP —una forma elegante de decir que la materia y la antimateria se comportan de forma ligeramente diferente entre sí—. Por lo tanto, cualquier ejemplo de violación de la simetría CP en la naturaleza podría ayudar a explicar el desequilibrio entre la materia y la antimateria.

De hecho, la violación de CP ya se ha observado en algunos mesones, un tipo de partícula subatómica compuesta típicamente por un quark y un antiquark, un resultado sorprendente que se descubrió por primera vez en los años sesenta. Pero se trata de un efecto extremadamente pequeño, muy lejos de poder explicar la asimetría entre la materia y la antimateria del universo.

En julio de 2025, científicos que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, cerca de Ginebra, reportaron tener pruebas claras de una violación similar por parte de un tipo de partícula de una familia diferente de partículas subatómicas conocidas como bariones, pero se cree que esta nueva violación de CP es igualmente demasiado pequeña para explicar el desequilibrio entre la materia y la antimateria.

Experimentos en el horizonte

Entonces, ¿qué hay de los neutrinos? ¿Violan la simetría CP? Y, si es así, ¿lo hacen de una manera lo suficientemente importante como para explicar por qué vivimos en un universo dominado por la materia? Esta es precisamente la pregunta que se plantea una nueva generación de experimentos de física de partículas. El más ambicioso de ellos es el Experimento Profundo de Neutrinos Subterráneos (DUNE, por sus siglas en inglés Deep Underground Neutrino Experiment), que se está construyendo actualmente en Estados Unidos y cuya recopilación de datos podría comenzar en 2029.

DUNE empleará el haz de neutrinos más intenso del mundo, que disparará neutrinos y antineutrinos desde el Fermilab hasta la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford, situada a 800 millas (unos 1.300 kilómetros) de distancia, en Dakota del Sur. (No hay ningún túnel; los neutrinos y los antineutrinos simplemente atraviesan la Tierra, sin apenas notar su presencia). Los detectores situados en cada extremo del haz revelarán cómo oscilan las partículas al recorrer la distancia entre los dos laboratorios, y si el comportamiento de los neutrinos difiere del de los antineutrinos.

DUNE no determinará la cantidad exacta de violación de la simetría CP de los neutrinos (si es que existe), pero establecerá un límite máximo. Cuanto mayor sea el efecto posible, mayor será la discrepancia en el comportamiento de los neutrinos frente a los antineutrinos, y mayor será la probabilidad de que los neutrinos sean responsables de la asimetría entre la materia y la antimateria en el universo primitivo.

Para Shirley Li, física de la Universidad de California en Irvine, la cuestión de la violación de la simetría CP de los neutrinos es un tema urgente, que podría abrir el camino a un replanteamiento importante de la física de partículas. “Si pudiera obtener respuesta a una pregunta antes de morir, me gustaría saber de qué trata eso”, afirma.

Además de ser un descubrimiento importante en sí mismo, la violación de la simetría CP en los neutrinos podría desafiar el Modelo Estándar al abrir el camino a otras novedades en la física. Por ejemplo, los teóricos dicen que significaría que podría haber dos tipos de neutrinos: los zurdos (los ligeros normales observados hasta la fecha) y los diestros, mucho más pesados, que hasta ahora son solo una posibilidad teórica. (La “lateralidad” de las partículas se refiere a sus propiedades cuánticas).

Estos neutrinos diestros podrían ser hasta 10¹⁵ veces más pesados que los protones y serían inestables, desintegrándose casi instantáneamente tras su formación. Aunque no se han encontrado en el universo actual, los físicos sospechan que los neutrinos diestros pudieron existir en los momentos posteriores al big bang, desintegrándose posiblemente a través de un proceso que imitaba la violación de la simetría CP y favorecía la creación de materia frente a la antimateria.

Incluso es posible que los neutrinos actúen como sus propias antipartículas —es decir, que los neutrinos puedan convertirse en antineutrinos y viceversa—. Este escenario, que respaldaría el descubrimiento de los neutrinos diestros, haría que los neutrinos fueran fundamentalmente diferentes de partículas más familiares como los quarks y los electrones. Si los antineutrinos pueden convertirse en neutrinos, eso podría ayudar a explicar a dónde fue la antimateria durante los primeros momentos del universo.

Una forma de comprobar esta idea es buscar un tipo inusual de desintegración radiactiva —teorizada, pero nunca observada hasta ahora— conocida como “desintegración beta doble sin neutrinos”. En la desintegración beta doble normal, dos neutrones de un núcleo se desintegran simultáneamente en protones, liberando dos electrones y dos antineutrinos en el proceso. Pero si los neutrinos pueden actuar como sus propias antipartículas, entonces los dos neutrinos podrían aniquilarse entre sí, dejando solo los dos electrones y una explosión de energía.

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Se están llevando a cabo o se han planificado varios experimentos para buscar este proceso de desintegración, entre ellos el experimento KamLAND-Zen , en la instalación de detección de neutrinos de Kamioka, en Japón; el experimento nEXO, en la instalación SNOLAB de Ontario, Canadá; el experimento NEXT, en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, en España; y el experimento LEGEND, en el laboratorio Gran Sasso, en Italia. KamLAND-Zen, NEXT y LEGEND ya están en funcionamiento.

Aunque estos experimentos difieren en los detalles, todos ellos emplean la misma estrategia general: utilizan una cuba gigante de material denso y radiactivo con conjuntos de detectores que buscan la emisión de electrones inusualmente energéticos. (Los neutrinos que se esperaría que acompañaran a los electrones estarían ausentes, y la energía que habrían tenido sería transportada por los electrones).

Aunque el neutrino sigue siendo una de las partículas más misteriosas que se conocen, poco a poco va desvelando sus secretos. A medida que lo hace, puede que resuelva el enigma de nuestro universo dominado por la materia, un universo que permite que prosperen criaturas curiosas como nosotros. Los neutrinos que atraviesan silenciosamente nuestro cuerpo cada segundo están revelando poco a poco el universo bajo una nueva luz.

“Creo que estamos entrando en una era muy emocionante”, afirma Turner.

Artículo traducido por Debbie Ponchner