El neutrino existe y tiene tres sabores
El neutrino es una partícula fundamental propuesta por W. Pauli hace casi un siglo para explicar el espectro energético del electrón en la desintegración beta. Desde su predicción hasta su detección transcurrieron más de dos décadas. El descubrimiento se logró gracias al ingenio de C. Cowan y F. Reynes, colocando un detector de 10 toneladas a tan solo 11 metros de un reactor nuclear en Carolina del Sur. De los billones de neutrinos que atravesaban cada centímetro cuadrado del detector por segundo, solo unos pocos cientos interactuaron en el detector tras 900 horas de observación. Este resultado resume una característica única de los neutrinos: apenas interactúan con la materia ya que sienten la fuerza débil, pero no la electromagnética ni la fuerte.
Desde su descubrimiento hasta finales del siglo XX se alcanzaron varios hitos importantes, como la medición de neutrinos procedentes de diferentes fuentes (el Sol, la atmósfera, aceleradores de partículas e incluso una supernova en 1987), así como la detección de distintos tipos de neutrinos asociados a los leptones cargados (electrón, muón y tau), a los que calificamos como sabores. A principios de la década de los 90, el acelerador LEP produjo millones de bosones Z, mediador de la interacción débil junto con los bosones W, en colisiones electrón-positrón. Esto permitió medir con precisión la desintegración de este bosón, la cual está relacionada con el número partículas a las que se puede decaer. Los resultados fueron concluyentes: solo tres tipos de neutrinos (con masa inferiores a 45 GeV) “sienten” la fuerza débil.
Algo no encaja: los neutrinos oscilan
En el Modelo Estándar encajaban bien las piezas descritas hasta ahora, con una salvedad: si no se quería recurrir a nuevas partículas o fuerzas no detectadas, lo que llamamos nueva física, los neutrinos debían considerarse partículas sin masa. Sin embargo, las medidas del flujo de neutrinos provenientes del Sol y de la atmósfera revelaron una gran falla en el puzle.
A finales de los años 60, el experimento Homestake observaron un déficit de neutrinos electrónicos solares con respecto a las predicciones teóricas. La comunidad científica sospechó que el problema podía estar en los modelos solares. Pero en la década de los 90 aparecieron anomalías en experimentos como SuperKamiokande, que detectaba neutrinos muónicos producidos en la atmósfera. Todos estos resultados podían explicarse mediante un proceso ya propuesto en los años sesenta: la oscilación de los neutrinos.
La oscilación de los neutrinos es un fenómeno cuántico por el cual un neutrino creado con un determinado sabor puede ser detectado posteriormente con otro distinto. Este mecanismo es válido en la mecánica cuántica para partículas en las que los estados que describen sus interacciones y propagación en el espacio-tiempo no coinciden. Este formalismo ya se había aplicado a los quarks para explicar sus transiciones de sabor en interacciones débiles. La peculiaridad en el caso de los neutrinos es que estas oscilaciones se manifiestan a distancias macroscópicas. Pero, este fenómeno requiere de un ingrediente que ponía en jaque Modelo Estándar: los neutrinos deben tener masa.
Una explicación tentadora: el neutrino estéril
Hoy en día existen numerosas evidencias experimentales de que los neutrinos oscilan y, por tanto, tienen masa. Además, medidas cosmológicas y experimentos que miden el espectro del electrón en decaimientos beta, como KATRIN, concluyen que son al menos cinco órdenes de magnitud más ligeros que el electrón. Esto ha motivado un gran desarrollo teórico para explicar cómo los neutrinos adquieren esa pequeña masa mediante física más allá del Modelo Estándar. La mayoría de estos modelos requieren nuevas partículas masivas que no interactúan débilmente con la materia, comúnmente denominadas neutrinos estériles.
Los neutrinos estériles son además muy atractivos porque podrían explicar otros enigmas de la física: qué es la materia oscura, por qué hay más materia que antimateria en el Universo. Sin embargo, aunque se perfilen como una pieza tentadora para completar parte del puzle, siguen siendo a su vez un enigma en sí mismos. Por un lado, los modelos que asumen que los neutrinos son fermiones de tipo Dirac (como los leptones cargados y los quarks), predicen la existencia de neutrinos estériles ligeros que no podrían explicar toda la materia oscura. Por otro lado, los modelos que consideran a los neutrinos como fermiones de tipo Majorana permiten neutrinos estériles mucho más masivos, pero es necesario introducir varias escalas de masa para a la vez explicar la materia oscura o a la asimetría bariónica. La fenomenología de los neutrinos estériles es tan rica, que se han convertido sido uno de los temas más activos de investigación experimental en las últimas décadas.
La búsqueda del neutrino estéril: desde el laboratorio al cosmos
Actualmente, las búsquedas de estas partículas en el rango de masas del pion (MeV), protón (GeV) y superiores (hasta 100 GeV) está dominada por experimentos de colisionadores y de haces de protones. En estos entornos se producen bosones W/Z y hadrones que, al decaer, pueden generar neutrinos estériles, los cuales pueden recorrer cierta distancia antes de desintegrarse en partículas visibles. Su tiempo de vida depende de su masa y mezcla con los neutrinos activos. Algunos experimentos, como ATLAS y CMS, buscan señales en forma de vértices desplazados distancias milimétricas o decaimientos exóticos dentro de los detectores, mientras que otros como NuTeV o NA62, exploran decaimientos a distancias de centenas de metros o examinan modos de desintegración raros de mesones. Los neutrinos estériles con masas superiores al TeV, que no se pueden producir directamente en laboratorios actuales, alterarían los procesos mediados por la interacción débil, y medidas de alta precisión no han observado esos efectos.
El rango de masas en el keV resulta especialmente interesante porque un neutrino estéril de este tipo podría ser un firme candidato a materia oscura. Sin embargo, partículas en este rango dejarían una huella característica en forma de líneas de rayos X observables por satélites como CHANDRA o XMM-Newton, señales que hasta la fecha no han sido confirmadas de manera concluyente. La emisión de neutrinos en explosiones de supernovas, como la observada en 1987, se vería también modificada por su existencia, lo que permite imponer límites adicionales. Además, existen búsquedas en este régimen mediante medidas de alta precisión del espectro de electrones en decaimientos beta, donde el experimento KATRIN lidera el campo.
Para neutrinos estériles más ligeros, en el rango del eV, la mayoría de las búsquedas se basan en experimentos de oscilaciones de neutrinos. En este sector han aparecido diversas anomalías que podrían interpretarse como señales de un neutrino estéril ligero, aunque en muchos casos han podido explicarse de otro modo. La más reciente fue el déficit observado en el flujo de neutrinos de reactores nucleares, que ha sido reevaluado gracias a nuevos cálculos en el modelo de producción de neutrinos en el uranio-235. Aun así, persisten varias anomalías sin explicación definitiva.
Por un lado, una serie de experimentos, el más reciente llamado BEST, han reportado de forma sistemática un déficit en el número de neutrinos observados en fuentes radiactivas de cromo y argón sumergidas en tanques de galio. Conocida como la “anomalía del galio”, podría resolverse si existiera un neutrino estéril con una masa superior al eV que se mezclara con los neutrinos electrónicos. Sin embargo, su existencia debería también producir distorsiones en los espectros de neutrinos solares y de reactores, que no se han observado. Por otro lado, los experimentos LSND y MiniBooNE han detectado un exceso de eventos compatibles con neutrinos electrónicos a distancias de 30 y 450 metros, respectivamente, de una fuente de neutrinos muónicos. En el marco estándar con solo tres neutrinos activos, la probabilidad de oscilación en estas condiciones es prácticamente nula, pero la existencia de un neutrino estéril ligero podría explicarlo. Actualmente, existe un amplio programa experimental con detectores sensibles a oscilaciones de neutrinos que busca resolver un problema que dura ya más de dos décadas.
Finalmente, se sabe que la presencia de neutrinos estériles tendría consecuencias profundas en la evolución del Universo, afectando a procesos como la nucleosíntesis primordial, el fondo cósmico de microondas o la formación de estructuras a gran escala. Por ello, también se ha explorado su huella cosmológica, sin encontrar indicios positivos hasta ahora. De hecho, asumiendo el Modelo Estándar de evolución del cosmos, las observaciones actuales imponen cotas muy estrictas sobre qué tipos de neutrinos estériles podrían existir.
“He hecho algo terrible. He postulado una partícula que no se puede detectar”, escribió Pauli al proponer el neutrino. Casi un siglo después sabemos que, al menos para ciertos neutrinos se equivocaba. Sin embargo, la dificultad para encontrar los neutrinos estériles nos hace vivir un “déjà vu”. Y, aun así, cada nuevo experimento y cada nueva idea teórica nos recuerdan que estas piezas ocultas podrían ser clave para resolver grandes enigmas de ese puzle llamado cosmos.
