La medida más precisa de la masa del neutrino abre la puerta al Universo desconocido

A veces, sin embargo, una de cada muchos millones, esos 'roces' se producen, y desde hace décadas los científicos construyen complejos laboratorios, a veces a varios km de profundidad, para captar alguna de esas raras colisiones y arrancarle al neutrino sus secretos. Algo que, desde luego, vale la pena, porque a pesar de ser una de las partículas más ligeras, es también una de las más abundantes, y su acción 'fantasmal' podría jugar un papel determinante en el destino del Universo.

Ahora, el experimento alemán KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) acaba de conseguir la medición más precisa hasta la fecha del límite superior de la masa del neutrino: 0.45 electronvoltios (eV). Un logro realmente espectacular, ya que eso supones menos de la millonésima parte de la masa de un electrón, la partícula que orbita el núcleo de los átomos. El avance no solo nos acerca a comprender una de las partículas más esquivas del Universo, sino que nos coloca en el umbral de una 'nueva física', más allá Modelo Estándar, la gran teoría que desde hace medio siglo nos ha permitido conocer, aunque no en su totalidad, de qué está hecha y cómo 'funciona' la realidad en que vivimos.

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José Manuel Nieves

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Existen tres tipos o 'sabores' de neutrinos: el electrónico, el muónico y el tauónico. Una de las propiedades más sorprendentes de los neutrinos es su capacidad para oscilar, es decir, de cambiar de un sabor a otro mientras viajan por el espacio. Dicha oscilación es una evidencia convincente de que los neutrinos tienen masa, algo que, de entrada, contradice la suposición original del Modelo Estándar, según el cual deberían carecer de ella. Calcular el valor exacto de esa masa es uno de los mayores desafíos de la física moderna, porque permitiría a los físicos refinar el Modelo Estándar y, aún más importante, comprender mucho mejor la naturaleza fundamental del Universo.

Por eso, los nuevos resultados del experimento KATRIN resultan tan importantes. El detector utiliza la desintegración beta del tritio, un isótopo radiactivo del hidrógeno, para deducir la masa del neutrino. Durante esta desintegración, un neutrón se transforma en un protón, emitiendo un electrón y un antineutrino electrónico (la antipartícula del neutrino).

La clave del experimento reside en analizar la distribución de la energía total de la desintegración entre el electrón emitido y el antineutrino. La masa del neutrino se infiere midiendo con precisión la energía del electrón. Sería algo parecido a tener que repartir entre dos personas una cantidad fija de energía: si sabes cuánta energía tiene una de ellas, podrás deducir cuánta tiene la otra. De manera similar, al medir la energía del electrón emitido, los científicos pueden calcular la energía del antineutrino y, por lo tanto, su masa.

Entre 2019 y 2021, la colaboración KATRIN ya midió la energía de aproximadamente 36 millones de electrones, un conjunto de datos seis veces mayor que en ejecuciones anteriores. Este análisis es lo que ha permitido ahora a los investigadores establecer el límite superior más preciso para la masa del neutrino electrónico, situándola en menos de 0,45 eV, con un nivel de confianza del 90%.

El experimento KATRIN es una maravilla de la ingeniería. Se trata de un aparato de 70 metros de longitud, con una fuente de tritio que produce 100 mil millones de desintegraciones por segundo, y un detector que sólo captura un electrón por segundo.

Uno de los mayores desafíos fue filtrar los electrones de baja energía, que no aportan información sobre la masa del neutrino. Algo que se logró mediante un colimador magnético adiabático con un filtro electrostático, todo mantenido en un vacío ultra alto para evitar la pérdida de energía de los electrones por colisiones con otras partículas. Por no hablar de dificultades como la de suprimir cualquier señal de fondo inesperada, que alteraría la medición.

La campaña de medición de la masa del neutrino de KATRIN concluirá en 2025, después de alcanzar 1.000 días de adquisición de datos. Se espera que el análisis del conjunto de datos completo permita estimar la masa efectiva del neutrino electrónico cerca del valor proyectado de 0.3 eV con un nivel de confianza del 90%.

Estos datos de alta calidad serán cruciales para probar la física más allá del Modelo Estándar, que explora la existencia de partículas hipotéticas como los neutrinos estériles ligeros y los neutrinos 'reliquia' que se originaron en el Big Bang, el momento del nacimiento del Universo y que se supone constituyen un 'fondo cósmico' de neutrinos.

Otros experimentos también tratan de medir la masa del neutrino utilizando diferentes técnicas. En conjunto, se trata de un enorme esfuerzo colaborativo a nivel mundial, lo que subraya la importancia de esta investigación y el interés de la comunidad científica por resolver este misterio fundamental.