Las Partículas Fantasma: ¿qué son los Neutrinos?

El neutrino es la partícula subatómica más misteriosa del modelo estándar. Conocidas como partículas fantasma, son prácticamente imposibles de detectar pero esconden las claves para comprender el origen de la realidad.

qué son neutrinos

Comprender la naturaleza más elemental de la realidad que nos constituye y que nos rodea siempre ha sido una de las grandes aspiraciones de la ciencia. Y en esta misión, han sido muchos los momentos que, a lo largo de la historia, han cambiado radicalmente nuestra concepción del Universo a escala no solo astronómica, sino atómica. Pero de todos ellos, hay uno que brilla con luz propia.

Ese suceso que transformaría para siempre la historia de la ciencia llegó cuando, a principios del siglo XX, nos dimos cuenta de que había un mundo más allá del átomo. Tras tantos siglos creyendo que el átomo era la unidad mínima e indivisible de la materia, descubrimos que estábamos equivocados. Había algo más allá. Más pequeño y más enigmático.

Si los átomos tienen un tamaño de la escala de un nanómetro, la milmillonésima parte de un metro, el núcleo atómico es 100.000 veces más pequeño. Y en los años 20, vimos que este núcleo estaba compuesto por unas unidades que, siendo bautizadas como protones, eran partículas de carga eléctrica positiva que estaban manteniendo en órbita a unas de carga negativa que recibieron el nombre de electrones.

Y fue así como creímos haber desvelado la estructura elemental del átomo y, por ende, de la realidad. Pero como tantas otras veces, llegó la naturaleza para demostrarnos que habíamos pecado de inocencia. Y ahora hace cerca de cien años, un descubrimiento revolucionó para siempre el mundo de la física y nos llevó a descubrir las partículas más extrañas del modelo estándar. Unas entidades que, por como son casi imposibles de detectar, se conocen como partículas fantasma. Otra vez, como con el bosón de Higgs, al que se le llamó la partícula de Dios, una estrategia de marketing. Así que a partir de ahora nos vamos a referir a ellas con su nombre: los neutrinos.

Enrico Fermi y el misterio de la desintegración beta

Roma. 1926. Nuestra historia empieza en la capital de Italia. En 1926, un joven físico de apenas veinticinco años consigue una plaza para empezar su carrera profesional en el Instituto de Física de la Universidad de Roma. El nombre de aquel chico era Enrico Fermi, quien iba a convertirse en uno de los científicos más importantes del siglo XX.

El interés de Fermi por el novedoso campo de la energía nuclear lo llevó a estudiar el fenómeno de la fisión, la reacción en la que el núcleo de un átomo pesado, al capturar un neutrón, se divide en dos o más núcleos de átomos más ligeros. Y fue entonces cuando descubrió que algunos átomos, sin este proceso de fisión, podían romperse.

Era como si los átomos tuvieran demasiada energía y su núcleo espontáneamente se transformaba emitiendo un electrón. Fermi estudió este fenómeno, bautizado como desintegración beta, en el que un núcleo inestable, para compensar la relación de neutrones y protones, emite una partícula beta que puede ser un electrón o un positrón.

Sabiendo que estaba dando con una nueva interacción atómica, Fermi quiso describir a la perfección esta desintegración. Pero cuando midieron la energía de los electrones emitidos, vieron que algo estaba mal. Una de las máximas de la física estaba fallando. No se cumplía el principio de conservación de la energía. Era como si una parte de la energía estuviera desvaneciéndose.

Fermi fue incapaz de dar respuesta a esta incógnita que estaba haciendo tambalear los cimientos de la física. Y tal fue su obsesión que, en octubre de 1931, él y su equipo organizaron una conferencia donde invitaron a algunos de los más reputados físicos de la época para abordar el problema de la energía perdida.

En este congreso, Wolfgang Pauli, físico teórico austríaco que por aquel entonces apenas había cumplido los treinta años, propuso una idea. Una idea que él mismo consideró como un remedio desesperado y una solución casi descabellada. Pauli abrió la puerta a que en esta desintegración beta, además del electrón, se estuviera expulsando otra partícula. Una nueva partícula que aún no habíamos descubierto.

En un momento en el que aún creíamos que las únicas partículas subatómicas eran los protones y los electrones, casi nadie escuchó al joven físico, pero Fermi vio en esa propuesta algo más que una idea desesperada. Tanto es así que dedicó los siguientes años de su vida a describir la que ya se estaba conociendo como la partícula fantasma. Una partícula que éramos incapaces de detectar pero que tenía que estar ahí, en las profundidades del átomo. Una partícula neutra, sin carga eléctrica, y con un tamaño incluso inferior al del electrón, que interaccionaba con la materia únicamente a través de la fuerza nuclear débil.

Una partícula que podría atravesar los átomos como si ni siquiera estuvieran ahí y que, por tanto, era indetectable para nuestros sistemas. Fermi sabía que iba a causar una enorme controversia. Pero estaba seguro de lo que él defendía. Y fue así como en el año 1933, el físico italiano bautizó a esa nueva partícula: el neutrino.

Que en italiano significa “little neutral one”. Fermi acababa de teorizar la existencia de una partícula que por aquel entonces era indetectable pero que toda la evidencia nos estaba diciendo que tenía que existir. Así que empezó lo que se conoció como la caza de la partícula fantasma. Fantasma porque era como un fantasma. Lo atravesaba todo y no la podíamos detectar. Y el líder de esta búsqueda era, evidentemente, Fermi. Pero, ¿qué pasó a finales de los años 30? Que el fascismo se expandió por Europa y estalló la Segunda Guerra Mundial.

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Enrico Fermi.

El Proyecto Poltergeist: el descubrimiento de los neutrinos

Año 1939. El mundo acaba de sumergirse en la Segunda Guerra Mundial, con los países Aliados luchando frente las potencias del eje, el bando formado por la Alemania Nazi, el Imperio de Japón y el Reino de Italia. En este contexto, Fermi emigró desde el país italiano hasta Estados Unidos para ser uno de los líderes del desarrollo del primer reactor nuclear que llevaría a la obtención de la bomba atómica con la que se realizaron los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki que marcaron el fin de la guerra.

Fermi, ante tal cometido, tuvo que abandonar la búsqueda de la partícula fantasma. Pero por suerte, no todo el mundo se olvidó de ella. Uno de sus ayudantes más jóvenes, el físico nuclear italiano Bruno Pontecorvo, emigró a Inglaterra para seguir los ensayos de su mentor acerca de los neutrinos. Durante años, estuvo obsesionado con desarrollar un sistema para por fin poder encontrarlos.

Él creía que los reactores nucleares, que generaban energía a través de la fisión nuclear que él, como integrante del equipo de Fermi, tan bien conocía, debían producir grandes cantidades de neutrinos. Así que su búsqueda debía centrarse en ellos. Así, para conseguir la atención de la comunidad científica, publicó un artículo en el que describía su teoría. Pero cuando el estudio llegó a manos del gobierno estadounidense, fue clasificado.

Y es que si fuera cierta que a través de los reactores pudieras detectar neutrinos, midiendo su número podrías saber cómo de potente era dicho reactor. Y en un momento de guerra en el mundo donde Estados Unidos y Alemania estaban sumidos en una carrera por desarrollar la bomba atómica, no podía salir a la luz el estudio del físico italiano.

Con el final de la guerra, sus estudios habrían podido ser desclasificados. Pero Pontecorvo, un comunista convencido, desertó a la Unión Soviética en 1950, desapareciendo por completo del radar y sin que la comunidad científica pudiera conocer sus progresos en la búsqueda de la partícula fantasma. Con Pontecorvo supimos que la clave para encontrar los neutrinos estaba en la energía nuclear, pero nos quedamos ahí. Y todo su progreso podría haberse quedado en nada. Pero por suerte, dos científicos estadounidenses recogieron el testigo del físico italiano y, ahora sí, llegaría el descubrimiento que lo cambió todo.

Era el año 1951. Frederick Reines y Clyde Cowan, físicos estadounidenses, se encontraban trabajando en el Laboratorio Nacional de Los Álamos como parte del programa nuclear de los Estados Unidos, que por aquel entonces estaban sumidos en la Guerra Fría contra la Unión Soviética. Y en un contexto en el que se estaban destinando muchos recursos a la investigación nuclear, ambos físicos vieron una oportunidad de seguir el legado de Pontecorvo y de Fermi y reiniciar la búsqueda de la partícula fantasma.

Los estudios de Pontecorvo, que tan bien conocían, hablaban de la necesidad de usar un reactor nuclear como fuente de neutrinos para así, por fin, poder detectarlos. Y Reines y Cowan no es que dispusieron de un reactor nuclear. Tenían en sus manos todo el poder de las bombas atómicas. Y fue así como iniciaron una misión bajo el nombre de “Proyecto Poltergeist”.

Como parte del experimento, construyeron un tanque a 50 metros de profundidad para evitar daños en los detectores por la onda expansiva que llenaron con un líquido disolvente que cumplía con un propósito muy claro y bien estudiado. Reines y Cowan sabían que del mismo modo que un átomo podía descomponerse y liberar un neutrino, este proceso podía revertirse.

En la extraña y, teniendo en cuenta su prácticamente nula tendencia a interaccionar con la materia, poco probable ocasión en la que un neutrino interaccionara con un núcleo atómico, deberían producirse dos nuevas partículas: un positrón y un neutrón. Y a través del medio líquido del tanque, estas dos partículas deberían generar dos haces de luz diferenciables.

Si los encontraban, podían deducir que había habido una interacción con un neutrino y que, por tanto, las partículas fantasma eran una realidad. Y así, tras cinco años de experimentos, por fin dieron con la respuesta. Encontraron esos haces de luz en el tanque. Y por primera vez, conseguimos pruebas de que los neutrinos existían. Ya no había dudas. Pero ahora había que empezar a escribir este nuevo capítulo de la historia de la física. Estudiarlos. Comprender su naturaleza. E igual que los fantasmas, pueden atravesarlo todo. Así que había que ir a sitios donde solo llegaran ellos. Sin otras partículas que ensuciaran los resultados.

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El Sol, la mina de oro y el problema de los neutrinos solares

El Sol es un colosal reactor nuclear. Y si los neutrinos se formaban en los reactores nucleares artificiales, por supuesto debían generarse en las entrañas de nuestra estrella madre. Las reacciones de fusión nuclear en la que los átomos de hidrógeno se fusionan para dar lugar a átomos de helio tenían que liberar neutrinos. Así pues, estaba claro que el siguiente paso para comprender su naturaleza era conectar con el Sol.

Era el año 1965, John Bahcall y Raymond Davis Jr, físicos estadounidenses, en un tiempo donde había cierta preocupación por si las reacciones nucleares del Sol estaban apagándose, quisieron estudiar la actividad del Sol. Pero monitorear la superficie solar no servía de nada, pues el núcleo se encuentra a 650.000 km de profundidad.

Ni siquiera estudiar la luz nos servía. Y es que por su enorme densidad, los fotones liberados en las reacciones de fusión nuclear tardan 30.000 años en escapar del núcleo y llegar a la superficie. Necesitábamos algo que escapara del Sol al instante. Y estaba claro a quién teníamos que buscar: los neutrinos.

Cada segundo, en nuestro Sol se crean 10 trillones de trillones de trillones de neutrinos que escapan de la estrella casi a la velocidad de la luz. Una cantidad inmensa. El problema es que igual que atraviesan el núcleo del Sol como si no hubiera nada, al llegar a la Tierra, pasan a través como si de un fantasma se tratara.

Cada segundo, 60 mil millones de neutrinos del Sol atraviesan tu pulgar. Y no sientes absolutamente nada. De hecho, se estima que la Tierra solo interactúa con 1 neutrino de cada 10 mil millones que llegan. Ya de por sí era algo casi imposible. Pero es que además, la detección podía ser alterada por otras radiaciones de fondo. Solo teníamos una opción. Irnos bajo tierra.

Así, en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford, Bahcall y Davis usaron una antigua mina de oro para construir, a más de un kilómetro y medio de profundidad y bajo un lecho de roca, un tanque de acero del tamaño de una casa lleno de cerca de 400.000 litros de un líquido solvente. El bautizado como “Experimento Homestake” estaba a punto de empezar.

En teoría, si un neutrino procedente del Sol colisionaba con un átomo de cloro dentro del tanque, habría una reacción de transformación en argón que podrían detectar. Sabían que por el tanque pasarían cada minuto un quintillón de neutrinos procedentes del Sol. Pero la probabilidad de que hubiera una interacción con los átomos del tanque era tan ínfima que tan solo podía esperar encontrar 10 átomos de argón fruto de una colisión con neutrinos a la semana.

Poca gente creyó en los científicos. Parecía que el experimento Homestake estaba destinado al fracaso. Davis y Bahcall tenían que convencer a la comunidad científica que de los millones de millones de millones de átomos en ese tanque, iban a poder identificar uno o dos. Pero, por suerte, la fe en su proyecto pudo con todo.

Un mes después, Davis vació el tanque para extraer los átomos de argón. Y los encontró. Pero en medio de la celebración por el hallazgo, el científico se dio cuenta de algo que lo iba a cambiar todo. No había encontrado todos los átomos que la teoría predecía. Las medidas se habían quedado cortas. Solo estaban detectando un tercio de los neutrinos esperados. Y por mucho que repitieran el experimento, el resultado seguía siendo el mismo. A este suceso se le conoció como “El problema de los neutrinos solares”.

Ahora que empezábamos a entender su naturaleza, surgió una gran incógnita. ¿Dónde estaban esas dos partes restantes? La teoría parecía estar bien, así que todo apuntaba a un error experimental. Pero el experimento también parecía estar bien. Y cuando todo el mundo daba por hecho que estábamos en un callejón sin salida, volvió a aparecer un protagonista de esta historia.

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Pontecorvo y los sabores: ¿qué son las oscilaciones de los neutrinos?

Moscú. 1970. Bruno Pontecorvo, después de desaparecer varios años, vuelve a centrarse en el estudio de los neutrinos para dar una respuesta al problema de los neutrinos solares. El físico italiano propuso algo que, como aquella vez veinte años antes, suponía una auténtica revolución. Dijo que la única forma de resolver el misterio era suponer que no había un único tipo de neutrino. Pontecorvo afirmó que, en realidad, existían tres tipos de neutrinos, a los que llamó “sabores”.

Y al mismo tiempo, predijo que algo extraño sucedía mientras viajan por el espacio. Un neutrino podía cambiar de identidad. Podía transformarse en otro sabor. Este fenómeno tan extraño eran las oscilaciones de los neutrinos. Ninguna otra partícula podía experimentar una oscilación así. Pero la teoría de Pontecorvo era la única que podía dar respuesta al problema.

Así, definimos los tres sabores de los neutrinos: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico. El experimento Homestake solo podía detectar los neutrinos electrónicos, que son los que produce el Sol. Pero estos neutrinos, en el viaje hasta la Tierra podían cambiar de sabor. De ahí que los detectores solo identificar una tercera parte de ellos, la correspondiente a los electrónicos. Las dos partes restantes, de los muón y los tau, pasaba desapercibida.

Con esto, parecía que habíamos resuelto el problema de los neutrinos solares. Tres tipos de neutrinos, o tres sabores, que iban oscilando a medida que se movían en el espacio y el tiempo. Solo había un requisito que los neutrinos, independientemente de su sabor, tenían que cumplir para que pudieran oscilar. Tenían que tener masa. Por muy pequeña que fuera, pero tenían que tener masa. Y es aquí, cuando otra vez, todo estuvo a punto de derrumbarse.

El modelo estándar, compuesto por las diecisiete partículas que constituyen la materia y las fuerzas del Universo, es la teoría mejor descrita de la historia de la ciencia. Y como modelo matemático, hizo una predicción que complicó las cosas. Los neutrinos, igual que los fotones, tenían que ser partículas sin masa.

Y si eran partículas sin masa, la relatividad general de Einstein nos decía que tenían que viajar a la velocidad de la luz. Y si viajaban a la velocidad de la luz, no podían experimentar el paso del tiempo. Y si no podían experimentar el paso del tiempo, no habría dimensión temporal sobre la cual oscilar.

Si no tenían masa, los neutrinos no podían oscilar. Los experimentos una y otra vez nos decían que oscilaban y que, por tanto, tenían que tener masa aunque fuera ínfima. Pero el modelo estándar nos estaba diciendo que no podían oscilar porque no podían tener masa. Así que después de confirmar las oscilaciones, tuvimos que hacernos a la idea de que el modelo estándar, tan preciso en absolutamente todo, no podía explicar por qué los neutrinos tienen masa. Una razón más que justificaba que se convirtieran en un quebradero de cabeza y que iniciara el desarrollo de uno de los experimentos más ambiciosos de la historia.

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Super-K y el futuro de los neutrinos

Japón. 1996. Bajo el Monte Ikeno, en la prefectura de Gifu, en Japón, entra en operación una de las instalaciones más ambiciosas de la historia de la ciencia. Un observatorio de neutrinos bautizado como “Super-Kamiokande”. En las profundidades de la montaña japonesa, para protegerse de la incidencia de otras partículas, se construyó un tanque cilíndrico de acero de 40 metros de altura que fue llenado con 50.000 toneladas métricas de agua ultra-pura.

El contenedor fue cubierto con 11.000 detectores de luz que iban a permitir la más precisa detección de neutrinos hasta la fecha. Cuando un neutrino colisiona con el líquido del tanque, la reacción atómica produce un rastro de luz que es percibido por los sensores. La sensibilidad es tal que, por primera vez, pudimos calcular qué tipo de neutrino ha colisionado y la dirección de la que viene.

El Super-K permitió probar la teoría de las oscilaciones de neutrinos capturándolos no del Sol, sino de la atmósfera de la Tierra. Cuando la radiación cósmica incide sobre la atmósfera, crea neutrinos que la atraviesan. Algunos llegarán al detector por la distancia más corta, pero otros, formados en la otra punta de la Tierra, llegarán al detector después de atravesar todo el planeta. Si los neutrinos no cambiaban, aquellos que vinieran de la distancia corta serían iguales que los procedentes de la distancia más larga.

Pero esto no fue lo que vimos. Tras dos años de recoger datos, vieron los resultados eran distintos. Cuando viajaban a través de la Tierra, cambiaban. A largas distancias, había oscilaciones. Así, en 1998, el Super-k puso fin al debate. Los neutrinos oscilaban. Tenían que tener masa. Y, por tanto, el modelo estándar tenía un error. El primer fallo detectado en el que considerábamos la teoría mejor descrita de la ciencia.

Pero fue entonces, cuando finalmente describimos bien su naturaleza, que nos dimos cuenta de que los neutrinos no son interesantes solo por cómo parecen jugar con las bases del modelo estándar, sino por la importancia que han tenido y que siguen teniendo en la evolución del Universo. Y es que en los neutrinos pueden estar las claves para entender los fenómenos más violentos del Universo, para responder a la cuestión de por qué existe la realidad e incluso para desvelar a uno de los rostros más esquivos y misteriosos de la astrofísica.

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Supernovas, Big Bang y materia oscura: ¿qué desvelan los neutrinos?

Año 2017. Nos encontramos en el observatorio de neutrinos IceCube, ubicado en la base Amundsen-Scott, una estación de investigación científica de los Estados Unidos ubicada en la Antártida, prácticamente en el polo sur geográfico. Esta instalación, que mide casi 1 km de ancho, contiene 5.000 sensores rodeados de agua antártica, una de las más puras del mundo.

Además de demostrar las oscilaciones, este observatorio actúa como un telescopio de neutrinos, permitiendo, por primera vez, atrapar neutrinos procedentes de las afueras del sistema solar e incluso de miles de millones de años luz de distancia. Cuando un neutrino colisiona con una molécula de agua, se libera una partícula cargada que genera un haz de luz azul que conforma lo que se conoce como radiación de Cherenkov. Siguiendo el camino de la luz azul, podemos rastrear el recorrido y mirar de dónde vino el neutrino.

Y ese 22 de septiembre de 2017, seguimos el rastro, que nos llevó hasta el corazón de uno de los objetos más poderosos del Cosmos: un blázar. Un monstruo que consistía en un agujero negro supermasivo en el corazón de una galaxia a 6 mil millones de años luz. Su disco de acreción, girando a millones de kilómetros por hora, acelera las partículas cargadas y estas, al colisionar entre ellas, generan unos neutrinos que son emitidos por el jet de radiación.

Ese neutrino había cruzado el Universo hasta nuestro hogar. Y fue entonces cuando empezamos a cuestionarnos si los neutrinos podían tener una implicación más importante de la que creíamos en sucesos tan violentos del Universo. Todas las miradas fueron puestas en uno en particular. Las supernovas. Porque no sabíamos por qué las estrellas gigantes mueren con una explosión tan inmensa. Y, de repente, los neutrinos parecían darnos una respuesta.

Cuando una estrella masiva muere porque se queda sin combustible, su núcleo colapsa bajo el peso de su propia gravedad en una estrella de neutrones. En ese momento, las capas externas de la estrella colapsan hacia dentro, impactando contra la estrella de neutrones, cosa que genera la supernova. Pero los modelos que describen esto dan un problema. De acuerdo a las simulaciones, la estrella no tendría que explotar como lo hace.

Faltaba algo que explicara su agresividad. Y es muy probable que la respuesta se encuentre en los neutrinos. Cuando el núcleo estelar colapsa y se forma una estrella de neutrones, los protones y los electrones están bajo tanta presión que se fusionan para formar neutrones y neutrinos. Así, una cantidad inimaginable de neutrinos colisionan con los remanentes de la estrella moribunda.

Un pequeña fracción interaccionará con el gas, pero será suficiente como para que las colisiones lo calienten hasta temperaturas altísimas. Esto generará una presión que aumentará exponencialmente hasta que se desencadene una onda expansiva que generará la explosión estelar que todos conocemos.

De no ser por los neutrinos, las supernovas no existirían y, por tanto, nosotros tampoco. Nuestros cuerpos contienen elementos pesados como el hierro en nuestra sangre o el calcio en nuestros huesos. Unos elementos que se forman en las supernovas y que se envían por el cosmos a través de la explosión. Pero ya no es que sin los neutrinos no existiríamos nosotros o los planetas. Es que sin ellos, es muy probable que el Universo se hubiera aniquilado a sí mismo en los primeros instantes de su existencia.

Después de la billonésima parte de un segundo después del Big Bang, el Universo se enfrió lo suficiente como para que emergieran las partículas fundamentales en pares de carga opuesta materia-antimateria. Todo era muy caótico. Pero aun así, había normas de simetría. La materia y la antimateria tuvieron que crearse en cantidades iguales.

Pero suponiendo una perfecta simetría, la materia y la antimateria se habrían aniquilado al instante y, menos de un segundo después de la creación del Cosmos, ya no habría nada. Todo se hubiera aniquilado. Nuestra propia existencia era una paradoja. Y fue así como se desarrolló la anomalía de la bariogénesis, un problema que apelaba a la aparente imposibilidad de que la formación del Cosmos resultara en cantidades elevadas de materia bariónica y en cantidades tan ínfimas de antimateria.

Tuvo que haber un ínfimo desbalance que nos salvara de la aniquilación. En la lucha más devastadora de la historia del Universo, en apenas un segundo, por cada billón de partículas de materia y antimateria aniquiladas, una de materia sobrevivía. Y estas supervivientes son las que dieron lugar al Universo tal y como lo conocemos.

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Pero desde los años 60, seguimos sin responder a la pregunta de cuál es el origen del desequilibrio. Más allá de su carga opuesta, la materia y la antimateria son exactamente iguales en todas sus propiedades, así que deberían haberse generado en las mismas cantidades. Y todos los experimentos para encontrar diferencias entre ellas han terminado en fracasos. Excepto uno que, obviamente, involucra a nuestros amigos los neutrinos.

Año 2021. El experimento T2K, conducido en Japón y siendo el resultado de una cooperación internacional de 500 físicos de 60 instituciones de todo el mundo, arroja los primeros resultados de un ensayo que, ya desde sus inicios, estaba destinado a cambiar para siempre nuestra concepción del Universo.

Mediante un acelerador de partículas, el experimento tuvo el objetivo de recrear parte del Big Bang para comprender qué ocurrió en esa lucha entre la materia y la antimateria estudiando los neutrinos y su parte simétrica: los antineutrinos. Y lo hicieron sabiendo que estos tenían una propiedad única dentro del modelo estándar. Sus oscilaciones.

La materia y la antimateria deberían comportarse exactamente igual. Por tanto, los neutrinos y los antineutrinos debían oscilar a la misma velocidad. El experimento, pues, quería ver si los antineutrinos alteraban su sabor al mismo ritmo que los neutrinos. Y tras once años de recoger datos, los resultados salieron a la luz para cambiarlo todo. Oscilaban a ritmos distintos.

Era la primera vez que teníamos pruebas de que la materia y la antimateria no se comportaban igual. En el big bang, más neutrinos se convirtieron en materia y menos antineutrinos en antimateria. Así, terminas con un extra de materia. Una partícula de materia más por cada mil millones.

Los neutrinos salvaron al universo de la aniquilación e incluso podrían ayudarnos a resolver el misterio de la identidad de una de las entidades más extrañas del Cosmos: la materia oscura. Una hipotética entidad astrofísica que constituiría el 80% de la materia del Universo pero que no podemos ver ni detectar. Es invisible en todos los sentidos.

Sabemos que tiene que estar ahí, porque de no existir, las galaxias se diluirían. Tiene que haber algo que, a través de su atracción gravitatoria, las junte. Así pues, en los años 70 se teorizó que la materia oscura formaba un halo de materia invisible alrededor de la galaxia 9 veces más masivo que la porción visible de la misma, ayudando a tejer la red cósmica de galaxias a través del Universo.

No sabemos qué es la materia oscura. Ni la vemos ni interactúa con la materia. Casi como los neutrinos. E igual que ellos, sabemos que era abundante y activa en el Universo primigenio. No es de extrañar, pues, que los neutrinos sean uno de los más firmes candidatos a explicar la naturaleza de la materia oscura.

¿Y si la masa combinada de los neutrinos en el nacimiento del Universo hubiera producido la gravedad extra para que se formaran las estructuras galácticas? Relacionar la materia oscura con los neutrinos es muy tentador, pero sigue habiendo mucha controversia en este aspecto.

Para empezar, sabemos que la materia oscura es fría, en el sentido que no viaja a velocidades cercanas a la de la luz. Esto ya es un gran inconveniente. Y es que los neutrinos sí que se desplazan a una velocidad muy cercana a la de los fotones, pues su masa es ínfima. Para que los neutrinos fueran la materia oscura, tendría que existir una materia oscura caliente. Algo que no encaja ni con las observaciones actuales ni con los modelos que nos indican cómo las galaxias se formaron muy temprano en el tiempo del Universo.

Y además del hecho de que la materia oscura que teje el Universo sea fría, si sumamos toda la masa de todos los neutrinos que se estima que existen en el Cosmos, esto representaría apenas el 1,5% del total de lo que sabemos que hay de materia oscura.

Pocas cosas encajan. Pero los cazadores de neutrinos no se han rendido y no parece que vayan a hacerlo. Para desvelar la naturaleza tanto de los neutrinos como de la materia oscura, están en busca de un nuevo tipo de neutrino. Otro sabor que ha pasado desapercibido todo este tiempo pero que podría estar ahí, esperando a ser descubierto.

Conocemos y hemos descubierto los tres sabores de los neutrinos: electrónico, muónico y tauónico. Pero podría haber un cuarto sabor. Un hipotético sabor que ha sido bautizado como neutrino estéril, apelando a que interacciona incluso menos que los tres sabores con la materia. De existir, serían casi imposibles de detectar.

Pero desde el Fermilab, cada vez hay más espacio para la esperanza. Llamado así en honor al físico Enrico Fermi, con quien empezábamos este viaje, el Fermilab es un laboratorio de física de altas energías ubicado al oeste de Chicago, Estados Unidos. En él, desde hace veinte años, se están investigando las oscilaciones de neutrinos.

Y recientemente, los resultados están mostrando que hay algo que no encaja en nuestros modelos. Teóricamente, los neutrinos oscilan demasiado lento como para ver un cambio de sabor en el viaje de 500 metros desde donde son lanzados hasta el detector. Pero lo que está ocurriendo es que se observa un incremento en un tipo concreto de neutrino.

Esto solo puede explicarse si las oscilaciones son más veloces de lo que considerábamos posible. Y para que esto pueda ser real, tiene que haber neutrinos extra. Otro sabor que, pese a que no podamos detectar, esté influenciando sobre los tres sabores, haciendo que oscilen más deprisa. ¿Estamos encontrando evidencias indirectas de la existencia del neutrino estéril?

Todavía es demasiado pronto para dar una respuesta. Quizás sea ese cuarto sabor. Y quizás, de existir, este neutrón estéril, sin tener ninguna interacción con la materia más allá de la influencia sobre los neutrinos convencionales, podría ser la materia oscura. Quizás sea la primera partícula oscura con la que nos topamos. Quizás sea la primera miga de pan en el camino hacia un nuevo mundo más allá del modelo estándar. Pero, al menos, tenemos algo claro. En los neutrinos se encuentra el faro que debemos seguir. En ellos se esconde la respuesta a las grandes incógnitas del Universo. Todo es cuestión de tiempo. Solo nos queda persistir.

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