Para los físicos de partículas que trabajan con neutrinos, casi nada lo es todo

Imagine que le dan tres chicles de sabores diferentes. Le dicen que uno de ellos es más pesado que los demás y otro es más ligero. Pero, ¿cuál es cuál? Su tarea se complica por el hecho de que estos chicles no pesan casi nada. Y, a veces, cambian de sabor. Ah, y cuando intenta cogerlos, la mayoría de las veces simplemente atraviesan su mano.

Tal es la tarea a la que se enfrentan los físicos que intentan comprender la fantasmal partícula subatómica conocida como neutrino. Estas partículas minúsculas, de las que la teoría actual dice que hay tres tipos, o “sabores”, inundan el universo, pero rara vez interactúan con la materia ordinaria con la que todos estamos familiarizados. Esto hace que sean desconcertantemente difíciles de estudiar, a pesar de su asombrosa abundancia.

Pero resolver las preguntas de cuánto pesan los neutrinos y cuáles son los más pesados es de vital importancia para los físicos de partículas. El Modelo Estándar que han desarrollado minuciosamente para describir todas las partículas y fuerzas de la naturaleza afirma explícitamente que los neutrinos no tienen masa alguna. Sin embargo, las observaciones han establecido que los neutrinos, de hecho, tienen una masa muy pequeña. Se trata de una excepción molesta y crítica a las reglas estándar de la física, con implicaciones para otras teorías. Para cualquiera que quiera comprender el universo, resolver este problema es imperativo.

La buena noticia es que los físicos están haciendo grandes progresos y tienen muchas posibilidades de averiguar el orden de las masas de los neutrinos en tan solo unos años, sin duda antes de 2030, según afirman. “Creo que tendremos pruebas sólidas, en un sentido u otro”, afirma André de Gouvêa, físico teórico de partículas de la Universidad Northwestern.

Invisibles y omnipresentes

Aunque sean tímidos, los neutrinos están en todas partes: son la segunda cosa más abundante en el universo después de los fotones, las partículas de luz.

“Es un poco extraño que sepamos tan poco sobre la segunda partícula más abundante, ¿verdad?”, dice Carlos Argüelles, físico de neutrinos de la Universidad de Harvard.

Los neutrinos se crean mediante reacciones nucleares en el Sol y las estrellas, por los rayos cósmicos que atraviesan la atmósfera y por otras reacciones cósmicas y terrestres. También pueden generarse en centrales nucleares y en aceleradores de partículas. Se cree que decenas de miles de millones de neutrinos atraviesan cada centímetro cuadrado de la Tierra cada segundo, sin que nadie se dé cuenta.

Los neutrinos han sido un enigma durante casi 100 años. Los físicos los concibieron por primera vez en la década de los años treinta, para ayudar a explicar ciertas propiedades desconcertantes de la desintegración radiactiva. El primer experimento para detectar neutrinos directamente se publicó en 1956. En aquel momento, los científicos asumieron que no tenían masa.

Sin embargo, desde finales de los años sesenta hasta los años noventa, los detectores registraron muchos menos neutrinos procedentes del Sol de lo esperado, lo que llevó a algunos a temer que nuestra estrella pudiera estar “apagándose”. En cambio, resultó que los escurridizos neutrinos estaban cambiando (u “oscilando”) entre tres tipos (o “sabores”) mientras volaban, por lo que muchos eludían la detección. Esta observación significaba que, según la teoría de la relatividad de Einstein, los neutrinos debían, de hecho, tener cierta masa.

“A los neutrinos les gusta portarse mal. Por eso nos pueden resultar interesantes”, dice Argüelles. “Les gusta hacer cosas que se supone que no deben hacer”.

Curiosamente (como suele ocurrir en el mundo cuántico), se cree que los neutrinos están compuestos por tres estados de masa subyacentes que se mezclan con diferentes probabilidades para producir los neutrinos de electrón, muón y tau que se han detectado en los experimentos. Uno de estos estados de masa es el más pesado y otro el más ligero.

Hay dos posibilidades para el orden de estas masas. En lo que se denomina orden de masas “normal”, el neutrino de electrón estaría compuesto principalmente por el estado de masa más ligero, mientras que el de tau se derivaría más del estado más pesado y el de muón se situaría en el medio. Pero podría ser al revés. En el orden “invertido”, el neutrino de electrón estaría compuesto principalmente por la masa más pesada. ¿Cuál es el orden correcto?

Esta pregunta sobre el orden de masas resulta más fácil de responder que la pregunta más precisa de cuánto pesan exactamente los neutrinos, ya que la respuesta se puede encontrar mediante un análisis de los detalles de las oscilaciones de sabor de los neutrinos. Aun así, responder a esta pregunta “fácil” requiere una serie de experimentos multimillonarios y muchos años de trabajo.

Puestos en su sitio

La mayoría de los detectores de neutrinos funcionan detectando destellos de luz que se producen cuando los neutrinos interactúan ocasionalmente con las partículas de un volumen gigante de líquido, como el agua, al atravesarlo. Los diferentes sabores crean patrones distintos: uno crea una trayectoria recta a través del agua, por ejemplo, mientras que las interacciones de otro crean un pequeño espectáculo de fuegos artificiales de trayectorias.

Dado que estas interacciones son poco frecuentes y difíciles de detectar con precisión, los investigadores necesitan recopilar una gran cantidad de datos durante un largo periodo de tiempo antes de tener la seguridad suficiente para extraer conclusiones estadísticamente sólidas sobre lo que han observado y lo que ello implica.

Algunos de estos detectores están diseñados para espiar, en parte, a los neutrinos generados por las interacciones de los rayos cósmicos en nuestra atmósfera. Estos detectores obtienen información valiosa al observar la diferencia entre los neutrinos que llegaron directamente al detector desde la parte más cercana del cielo, frente a los que proceden, por ejemplo, de interacciones en el lado opuesto de la Tierra y han atravesado toda la masa del planeta.

Tanto el aire como el suelo actúan como lentes, afectando la forma en que oscilan los sabores de los neutrinos antes de llegar al detector. Al comparar las trayectorias, los físicos pueden aprender mucho sobre las oscilaciones de los neutrinos, que, de nuevo, se espera que se comporten de forma diferente según los distintos órdenes de masa.

Entre estas instalaciones se encuentran IceCube, el detector de neutrinos más grande del mundo, que utiliza detectores de luz sumergidos en cuerdas a lo largo de largos pozos en el hielo antártico, así como el detector japonés Super-Kamiokande (y el Hyper-Kamiokande, actualmente en construcción y que comenzará a recopilar datos en 2028), que utiliza depósitos de agua artificiales, y el detector ORCA, recientemente puesto en funcionamiento, que captura neutrinos que atraviesan el mar Mediterráneo. Cada uno de ellos tiene sus propias ventajas e inconvenientes, capacidades e incertidumbres, pero todos hacen más o menos lo mismo.

Argüelles cree que este conjunto específico de experimentos habrá recopilado, en su conjunto, datos suficientes para 2030 como para abordar adecuadamente la cuestión del orden de masas.

Aún mejor, dice Argüelles, sería comparar los resultados de estos experimentos con neutrinos atmosféricos con los del nuevo Observatorio Subterráneo de Neutrinos de Jiangmen (JUNO), un proyecto construido recientemente en China que entró en funcionamiento a finales de agosto de 2025.

El JUNO, compuesto por una esfera de plástico de 35 metros de diámetro situada a gran profundidad bajo tierra, llena de 20.000 toneladas métricas de fluido y recubierta de detectores de luz, es especial en el sentido de que su objetivo es detectar los neutrinos generados por las instalaciones de energía nuclear cercanas. Dado que esta fuente de neutrinos es diferente (instalaciones de energía nuclear, no rayos cósmicos) y que la trayectoria de los neutrinos también lo es (poco más de 50 kilómetros desde la fuente hasta el detector), esta configuración genera un conjunto de datos complementario a los experimentos atmosféricos. Comparar ambos, afirma Argüelles, podría resolver el problema del orden de masas muy rápidamente, tal vez en solo uno o dos años.

Son buenas estrategias, coincide de Gouvêa, aunque añade que pueden surgir problemas al cruzar los resultados de múltiples experimentos, lo que, si se tiene mala suerte, puede multiplicar los errores. Él cree que el mejor resultado, y el más fiable, vendrá del Experimento Profundo de Neutrinos Subterráneos (DUNE, por sus siglas en inglés Deep Underground Neutrino Experiment) —un proyecto estadounidense en el que participa—.

DUNE generará una fuente de neutrinos increíblemente intensa utilizando un acelerador de partículas en el Fermilab de Illinois y los lanzará a través del suelo hacia un detector gigante en Sanford, Dakota del Sur, a 1.300 kilómetros de distancia. Dado que estos neutrinos se generan intencionadamente para este experimento, hay muchos de ellos, y los investigadores saben más sobre ellos que en los sistemas que dependen de neutrinos naturales o incidentales. Esto les da una gran ventaja. Pero DUNE no entrará en funcionamiento hasta alrededor de 2031.

“En términos de física de partículas, eso es muy pronto”, afirma de Gouvêa.

¿En qué dirección?

Hasta ahora, los primeros resultados de JUNO, combinados con los datos del experimento atmosférico, parecen apuntar a un resultado. “Los datos apuntan en la dirección del orden normal”, afirma Argüelles. Para algunos físicos, incluido Argüelles, esta es una noticia un poco deprimente.

La teoría dice que un orden “normal” implica un peso total menor para los neutrinos, lo que hará mucho más difícil determinar el valor absoluto de ese peso (simplemente porque cuanto más pequeño es un número, más difícil es medirlo).

También hace que otras teorías sean más difíciles de verificar. Una teoría, por ejemplo, postula que los neutrinos son sus propias antipartículas. Bajo un orden de masas normal y con un peso de neutrino menor, se espera que las interacciones que necesitaríamos observar para confirmar esta teoría ocurran con mucha menos frecuencia —nadie podría confirmar o refutar esta teoría utilizando ningún experimento conocido actualmente—, afirma Argüelles, lo que deja la respuesta al menos a décadas de distancia (o imposible de determinar por completo).

Pero aún no hay un veredicto definitivo, y Argüelles sigue esperando que prevalezca el “orden invertido”. “Sería más divertido”.

Los que controlan el peso

Por otra parte, determinar las masas absolutas de los neutrinos resulta extremadamente difícil. “Se necesitan detectores con una resolución excepcionalmente buena”, afirma Argüelles. Se trata de una tarea tan compleja que, en la actualidad, solo hay un experimento capaz de abordarla: el experimento KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) en Karlsruhe, Alemania.

KATRIN funciona tomando tritio —una forma pesada y radiactiva del hidrógeno— y dejando que se desintegre, emitiendo un electrón y un antineutrino. El objetivo de los investigadores es medir la energía de los electrones de mayor energía producidos, para poder deducir la minúscula fracción de energía que se ha escapado con el antineutrino invisible. A partir de ahí, pueden calcular la masa, ya que, como dijo Einstein, la masa es equivalente a la energía. La teoría dice que un neutrino pesa lo mismo que un antineutrino.

El método genera una enorme cantidad de electrones y utiliza un tubo de vacío grande y costoso, de 23 metros de largo y 10 metros de ancho, para filtrar todos los electrones excepto los más energéticos. El aparato es una bestia. “Es muy grande y muy complicado. Por eso, solo hay uno de este tipo, y tardó una eternidad en construirse”, dice Argüelles.

A partir de los datos que KATRIN recopiló entre 2019 y 2022, los investigadores dieron una primera aproximación a la respuesta: el neutrino medio debe pesar menos de 0,8 eV (los electronvoltios se utilizan como medida de masa). Unos años y muchos más datos después, en 2025 redujeron ese límite casi a la mitad, a menos de 0,45 eV. Esto es extraordinariamente ligero —al menos 500.000 veces más ligero que un electrón— y supone un enorme logro técnico. Pero la teoría cosmológica sugiere que la masa real es aún mucho, mucho menor —quizás inferior a 0,1 eV—.

“Es muy emocionante disponer de esta medición”, afirma Magnus Schlösser, físico de astropartículas que colabora con KATRIN en el Instituto Tecnológico de Karlsruhe. “Por supuesto, estaríamos aún más emocionados si realmente hubiéramos resuelto el enigma de las masas de los neutrinos”.

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Propuestas de proyectos

Si los neutrinos son más ligeros que unos 0,3 eV, esto supera la capacidad de medición de KATRIN. Por eso, los físicos planean dar un paso más con otros montajes experimentales. “La comunidad es muy innovadora”, afirma Schlösser.

Uno de ellos es el PROJECT 8: también comienza dividiendo hidrógeno pesado, pero mide la radiación de microondas emitida por los electrones mientras giran en espiral en un campo magnético, lo que debería ofrecer una precisión aún mayor a la hora de evaluar la masa de los neutrinos. Sin embargo, el proyecto aún se encuentra en fase de desarrollo y nadie sabe exactamente cuándo se construirá.

Otros experimentos futuros propuestos, incluida una iniciativa de última generación denominada KATRIN++, utilizan trucos como mejorar la fuente y medir más electrones para resolver este problema. Pero aún llevará décadas, afirma Schlösser, quien espera obtener una respuesta en un plazo de 25 años, antes de jubilarse.

Al ir desentrañando las cuestiones de la masa y el orden de masas, lo que los físicos realmente intentan hacer es averiguar por qué los neutrinos tienen masa y cómo la obtienen.

“Queremos saber el número y la razón de ese número”, afirma Argüelles. ¿Son los neutrinos, curiosamente, su propia antimateria? ¿Poseen algún tipo de carga hasta ahora desconocida? ¿Nos estamos perdiendo por completo un conjunto de partículas del Modelo Estándar, incluido un posible cuarto sabor de neutrino?

Las preguntas son infinitas y las posibles explicaciones, amplias y extravagantes. Y aunque no hay exactamente ninguna aplicación práctica conocida para este conocimiento, llega a la raíz de nuestra comprensión de todo.

“No sé si te interesa la historia del universo”, dice de Gouvêa. “Pero si te interesa, entonces tienes que saber cuáles son las masas de los neutrinos”.

Artículo traducido por Debbie Ponchner