Los simuladores del viaje de los neutrinos, esenciales para entender la formaci¨®n del universo, estaban equivocados

Si una persona coge un bol¨ªgrafo y dibuja en la palma de su mano un cuadrado de un cent¨ªmetro de lado, esa peque?a superficie ser¨¢ inmediatamente atravesada por unos 65.000 millones de neutrinos procedentes de las reacciones nucleares del Sol. Y cada segundo pasar¨¢n otros 65.000 millones. Los neutrinos son, junto a los fotones de la luz, las part¨ªculas elementales m¨¢s abundantes del universo. Y, sin embargo, son escurridizas, extremadamente dif¨ªciles de detectar, al carecer de carga el¨¦ctrica y tener una masa casi nu...

Si una persona coge un bol¨ªgrafo y dibuja en la palma de su mano un cuadrado de un cent¨ªmetro de lado, esa peque?a superficie ser¨¢ inmediatamente atravesada por unos 65.000 millones de neutrinos procedentes de las reacciones nucleares del Sol. Y cada segundo pasar¨¢n otros 65.000 millones. Los neutrinos son, junto a los fotones de la luz, las part¨ªculas elementales m¨¢s abundantes del universo. Y, sin embargo, son escurridizas, extremadamente dif¨ªciles de detectar, al carecer de carga el¨¦ctrica y tener una masa casi nula, millones de veces inferior a la del electr¨®n. La comunidad cient¨ªfica est¨¢ construyendo m¨¢quinas de cientos de millones de euros, como el futuro detector japon¨¦s Hiper-Kamiokande, para intentar cazar neutrinos y medir con precisi¨®n sus propiedades. Los investigadores creen que estas part¨ªculas fantasmag¨®ricas esconden algunos de los mayores secretos sobre el universo. Un equipo internacional de investigadores revela este mi¨¦rcoles una desagradable sorpresa: los simuladores utilizados hasta ahora est¨¢n plagados de errores. Hay que afinarlos para entender por qu¨¦ existimos.

El universo comenz¨® con toda la materia y la energ¨ªa concentradas en un punto m¨¢s peque?o que el del final de esta frase. La expansi¨®n comenz¨® con el Big Bang, hace unos 13.700 millones de a?os. El problema de la teor¨ªa es que en el origen del universo se tendr¨ªa que haber formado la misma cantidad de materia que de antimateria: part¨ªculas con la misma masa, pero con valores opuestos de carga el¨¦ctrica. Y, si esto fuera as¨ª, la materia y la antimateria se habr¨ªan aniquilado la una a la otra al entrar en contacto y no existir¨ªa el universo conocido. Sin embargo, la realidad es que la antimateria representa menos del 0,0000001 % de la materia total del universo. ?Qu¨¦ pas¨® despu¨¦s del Big Bang para que la materia saliese victoriosa de su combate contra la antimateria?

Muchos f¨ªsicos, como el espa?ol Guillermo Meg¨ªas, creen que el neutrino tiene la respuesta. ¡°Algo tuvo que romper ese ciclo. Hemos evolucionado a un universo en el que estamos rodeados de materia. En un bol¨ªgrafo o en una mesa no hay antimateria¡±, explica Meg¨ªas, reci¨¦n reincorporado a la Universidad de Sevilla tras dos a?os en la Universidad de Tokio. El f¨ªsico, sevillano de 34 a?os, detalla que la clave puede estar en la llamada oscilaci¨®n de los neutrinos: estas part¨ªculas cambian su identidad a medida que se desplazan por el espacio, pudiendo adoptar tres tipos o sabores. Son camale¨®nicas, lo que implica que tienen masa, al contrario de lo que se pensaba. El descubrimiento de este fen¨®meno mereci¨® el Nobel de F¨ªsica en 2015 para el japon¨¦s Takaaki Kajita y el canadiense Arthur McDonald.

La victoria de la materia frente a la antimateria

Guillermo Meg¨ªas participa en el T2K, un audaz experimento dise?ado para investigar esa metamorfosis. Los cient¨ªficos generan un chorro de neutrinos en la costa este de Jap¨®n e intentan cazarlos en la otra costa, a unos 300 kil¨®metros, en el Super-Kamiokande: un detector subterr¨¢neo inaugurado en 1996 en el interior de una antigua mina de zinc. Trillones de neutrinos lo atraviesan sin dejar rastro, pero de vez en cuando alguno choca con la materia de un gigantesco tanque de 41 metros de altura relleno con 50.000 toneladas de agua. Los cambios observados en la composici¨®n y la intensidad de los neutrinos en ese viaje kilom¨¦trico permiten deducir sus misteriosas propiedades.

Las mediciones, sin embargo, dependen de modelos te¨®ricos que predicen la forma de interaccionar de los neutrinos con los n¨²cleos de los ¨¢tomos. El nuevo estudio, publicado este mi¨¦rcoles en la revista Nature, revela que los simuladores que usan estos modelos est¨¢n plagados de imprecisiones. Hay que afinarlos, sobre todo ahora que se est¨¢n construyendo descomunales detectores, como el japon¨¦s Hiper-Kamiokande, ocho veces mayor que el Super-Kamiokande y con un coste de m¨¢s de 500 millones de euros, y el estadounidense DUNE, un proyecto similar en una antigua mina de oro de Dakota del Sur, valorado inicialmente en m¨¢s de 900 millones de euros.

Los neutrinos apenas interact¨²an con la materia. Podr¨ªan atravesar incluso una barrera de plomo de nueve billones de kil¨®metros de grosor. En los experimentos actuales, como el japon¨¦s T2K o el estadounidense NOvA, los cient¨ªficos solo son capaces de detectar un neutrino por cada varios miles de billones que se producen en aceleradores de part¨ªculas. En esas excepcionales ocasiones en las que los neutrinos interaccionan con la materia, por ejemplo al chocar con los n¨²cleos at¨®micos del agua del Super-Kamiokande, se generan tres tipos de part¨ªculas, en funci¨®n del sabor del neutrino: electrones, muones (similares a los electrones, pero 200 veces m¨¢s pesados) o taus (4.000 veces m¨¢s pesados).

Los experimentos actuales miden estas part¨ªculas resultantes, f¨¢cilmente detectables, para deducir las propiedades de las oscilaciones de neutrinos, intentando reconstruir las energ¨ªas del proceso con modelos te¨®ricos. Los autores del nuevo trabajo ¡ªliderados por el f¨ªsico israel¨ª Or Hen, del Instituto de Tecnolog¨ªa de Massachusetts (EE UU)¡ª han imitado estos experimentos, pero cambiando los neutrinos por electrones, una part¨ªcula perfectamente controlada por los cient¨ªficos. El resultado es sorprendente e inquietante. Los datos sugieren que hasta el 70% de las interacciones est¨¢n mal reconstruidas con los simuladores actuales, seg¨²n detalla Meg¨ªas, coautor de la investigaci¨®n. Corregir los modelos ayudar¨¢ a averiguar si la oscilaci¨®n de los neutrinos hizo que la materia ganase el pulso a la antimateria tras el Big Bang.

La nueva f¨ªsica tiene que estar ah¨ª. La pregunta del mill¨®n es si la descubriremos de aqu¨ª a unos a?os¡±

Pilar Coloma, f¨ªsica

La f¨ªsica Pilar Coloma, nacida en Santa Cruz de Tenerife hace 37 a?os, subraya la necesidad de afinar los modelos, sobre todo en los futuros experimentos de DUNE y del Hiper-Kamiokande, que pretenden medir las propiedades de los neutrinos con un rigor in¨¦dito. ¡°Para llegar a ese nivel de precisi¨®n necesitas tener muy controlados tus errores sistem¨¢ticos¡±, se?ala Coloma, del Instituto de F¨ªsica Te¨®rica, en Madrid.

Gigantes como el Hiper-Kamiokande tambi¨¦n podr¨ªan abrir una puerta hacia una nueva f¨ªsica, m¨¢s all¨¢ del Modelo Est¨¢ndar, la teor¨ªa desarrollada desde la d¨¦cada de 1970 que describe el universo usando 17 part¨ªculas fundamentales ¡ªlos bloques fundamentales de la naturaleza¡ª y las interacciones entre ellas. ¡°Se podr¨ªa descubrir alguna propiedad adicional o incluso alg¨²n neutrino que desconocemos¡±, explica Coloma, tambi¨¦n coautora del nuevo estudio.

En los ¨²ltimos a?os, varios laboratorios han buscado sin ¨¦xito un hipot¨¦tico cuarto neutrino, bautizado est¨¦ril, por su presunta incapacidad para interactuar con el resto de part¨ªculas conocidas. Los neutrinos est¨¦riles son uno de los posibles ingredientes de la materia oscura, unas enigm¨¢ticas part¨ªculas que aparentemente componen el 85% de la materia del universo, cinco veces m¨¢s que la materia cl¨¢sica, la que forma desde las estrellas a los seres humanos. ¡°La nueva f¨ªsica tiene que estar ah¨ª¡±, opina Coloma. ¡°La pregunta del mill¨®n es si la descubriremos de aqu¨ª a unos a?os¡±.

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