Los neutrinos pueden explicar por qué en el Universo hay 'algo' en lugar de 'nada'

Un ejemplo: se ha calculado que, a cada segundo que pasa, unos cien mil millones de neutrinos procedentes del Sol atraviesan cada centímetro cuadrado de la Tierra, (lo que incluye a personas, coches, edificios, montañas, continentes...). Y en la inmensa mayoría de los casos, todos esos neutrinos atraviesan limpiamente el planeta, entrando por un lado y saliendo por el otro sin que ni siquiera nos demos cuenta de ello. De hecho, la probabilidad de que un único neutrino 'tropiece' con una persona (es decir, que interactúe con alguna de las partículas de su cuerpo) es de aproximadamente una entre cuatro... a lo largo de toda su vida. Un valor menos que insignificante.

Por eso, no es de extrañar que detectar neutrinos exija un esfuerzo titánico por parte de los investigadores. Esfuerzo que, sin embargo, merece la pena porque, además de la llamada 'astronomía de neutrinos', que permite estudiar objetos y fenómenos astronómicos no sólo por su luz, sino por medio de los neutrinos que emiten, comprender el comportamiento de estas esquivas partículas podría ser la llave para resolver uno de los mayores misterios de la Naturaleza: ¿Por qué hay materia en el Universo? ¿Por qué hay 'algo' en vez de 'nada'? O, dicho de un modo más poético, ¿por qué existimos?

Ahora, y tras largas décadas de estudio, la comunidad científica internacional nos ha acercado un poco más a las respuestas al dar un gran paso hacia la comprensión de estas esquivas partículas, y lo ha hecho gracias a una alianza que marca un hito histórico. Por primera vez, en efecto, dos de los experimentos de neutrinos más importantes del mundo, tradicionalmente rivales, han combinado sus datos en un análisis conjunto. Se trata de NOvA (NuMI Off-axis νe Appearance), con base en Estados Unidos y operado por el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), y T2K (Tokai to Kamioka), de Japón, impulsado por el complejo J-PARC.

El resultado, recién publicado en 'Nature', va mucho más allá de una simple suma de datos y demuestra, una vez más, el extraordinario poder de la colaboración científica internacional, sin duda una de las más poderosas herramientas de conocimiento de la humanidad. Ambas instituciones, de hecho, suman más de 700 investigadores, y juntas han conseguido obtener las medidas más precisas hasta ahora de la misteriosa 'oscilación de neutrinos' un proceso que podría llevarnos a entender por qué, en el origen del Universo, la materia se impuso a la antimateria para dar lugar a todo lo que vemos hoy.

Para comprender la magnitud de este avance, hay que recordar que el Modelo Estándar de partículas, la exitosa teoría que describe todas las partículas y las cuatro fuerzas que las gobiernan, dice también que en los instantes inmediatamente posteriores al Big Bang debería haberse creado una cantidad perfectamente simétrica de materia y antimateria. La antimateria es 'la imagen en el espejo' de la materia, exactamente igual a ella pero con carga eléctrica opuesta. Según la teoría, cada partícula de materia que existe debería haber sido creada junto a su correspondiente 'antipartícula', de modo que a cada electrón le corresponde un 'positrón', a cada protón un 'antiprotón', a cada neutrón un 'anti neutrón' y a cada neutrino un 'antineutrino´.

Y aquí es donde surge el problema, porque resulta que la materia y la antimateria, como se ha comprobado una y mil veces en laboratorio, se anulan, se aniquilan mutuamente, dejando como único rastro un destello de energía en forma de fotones. Por lo tanto, si el Universo primitivo hubiera sido simétrico, con la misma cantidad de materia que de antimateria, el resultado final de toda esa aniquilación habría sido un cosmos repleto únicamente de radiación, sin estrellas, sin galaxias y, por supuesto, sin nosotros.

Y sin embargo es evidente que aquí estamos, y rodeados de estrellas y galaxias por todas partes. Es decir, que al principio de los tiempos algún proceso desconocido, algún sutil desequilibrio en las leyes de la física, permitió que una 'minúscula' cantidad de materia (apenas una partícula por cada mil millones de pares aniquilados) sobreviviera a la destrucción generalizada. Y es precisamente ese 'residuo' lo que forma y da cuerpo a todo lo que vemos alrededor. Desde hace tiempo, los físicos sospechan que la respuesta a esta asimetría reside en un fenómeno llamado Violación de la Simetría CP (Carga-Paridad), y que los neutrinos son, precisamente, los protagonistas de esta 'traición' a la simetría que hizo posible nuestra existencia.

Los neutrinos existen en tres 'sabores' o tipos diferentes: electrónico, muónico y tauónico, cada uno de los cuales tiene su correspondiente antipartícula. Pero lo más fascinante es que, a medida que viajan a velocidades cercanas a la de la luz, los neutrinos no mantienen su identidad; se transforman o, como dicen los físicos, 'oscilan' de un sabor a otro. Este 'baile de los sabores' fue, en 1998, la prueba definitiva de que los neutrinos, en contra de lo que dicta el Modelo Estándar original, sí tienen masa, algo que la mayoría negaba hasta ese momento. Y es aquí donde la asimetría puede hacer su aparición. Los científicos, en efecto, buscan para explicar las posibles diferencias en la forma en que un neutrino oscila en comparación con su contraparte de antimateria, el antineutrino.

El objetivo está claro. Si consiguiera demostrarse que los neutrinos y los antineutrinos oscilan de forma distinta, se habría descubierto en la familia de los leptones (las partículas ligeras), una asimetría que podría ser el 'motor cósmico' que generó el 'superávit' de materia en el Universo temprano.

Los experimentos NOvA y T2K fueron diseñados para estudiar precisamente esta oscilación y buscar dicha asimetría. Ambos son experimentos de 'línea base larga', y disparan un haz intenso de neutrinos muónicos desde un acelerador hacia un enorme detector situado a cientos de kilómetros de distancia, algo que hacen en línea recta y atravesando la corteza terrestre sin problema alguno.

Sin embargo, y aunque el objetivo es el mismo, sus diseños son diferentes... y complementarios, y es ahí donde radica la fuerza de su unión. La línea base del T2K (Japón) es de 295 km desde el complejo J-PARC hasta el detector Super-Kamiokande, un tanque (instalado a un km de profundidad) lleno con 50.000 toneladas de agua ultrapura y rodeado por 11.200 sensores que tratan de captar el leve destello de un neutrino chocando con alguna de sus partículas. El detector NOVA (EEUU), por su parte, dispone de una línea base de 810 kilómetros, desde Fermilab hasta un detector en Minnesota. Mientras que el detector japonés opera con una energía de neutrinos más baja, de unos 600 MeV (Megaelectronvoltios) , el norteamericano utiliza una energía mayor, de unos 2 GeV (Gigaelectronvoltios).

En física de neutrinos, el efecto de la oscilación y el efecto de la violación de la simetría CP (Carga/Paridad) se confunden con otro gran enigma: el 'orden de masa', es decir, qué sabor de neutrino es el más ligero y cuál el más pesado: el orden normal o el invertido. Este problema de confusión se conoce como la 'degeneración' de los parámetros.

Sin embargo, al combinar los datos de T2K y NOvA, con sus distintas líneas base y energías, los científicos han logrado evitar esta degeneración. La diferente energía y distancia de cada experimento, en efecto, hacen que la sensibilidad a la Violación CP y al orden de masas sea distinta en cada uno. De modo que la combinación de ambos conjuntos de datos ha permitido reducir la incertidumbre en la diferencia de masas a menos del 2% y refinar así enormemente el valor del parámetro que rige la asimetría.

«Al hacer un análisis conjunto -explica la colaboradora de NOvA Liudmila Kolupaeva- pudimos obtener una medición más precisa que la que puede producir cada experimento por sí solo. Como regla general, los experimentos en física de alta energía tienen diferentes diseños, incluso si tienen el mismo objetivo científico. Los análisis conjuntos nos permiten utilizar características complementarias de estos diseños».

Si bien los autores del estudio no han observado la Violación CP directamente, el análisis combinado sí que apunta con mucha más claridad a la posibilidad de que esta asimetría efectivamente exista. En concreto, los resultados indican que si el orden de masa es invertido (con dos neutrinos pesados y uno ligero), entonces la evidencia a favor de la Violación CP sería mucho más fuerte. En otras palabras, la medición más precisa del 'baile de sabores' de los neutrinos no solo ha confirmado que la asimetría entre materia y antimateria al principio del Universo es algo posible, sino también probable.

Y si la próxima generación de detectores, (como el norteamericano DUNE, Deep Underground Neutrino Experiment, con una línea base de 1.300 km y que empezará a operar en la década de 2030; o el japonés Hyper-Kamiokande (Hyper-K), con un detector ocho veces mayor que el actual y que está previsto que entre en funcionamiento en 2027 o 2028), logran confirmar esa asimetría, habremos encontrado por fin el 'fallo de diseño' en las leyes de la naturaleza que permitió a la materia sobrevivir y que, en última instancia, hizo posible que usted, yo, nuestro mundo y las estrellas y galaxias que nos rodean, existamos. La respuesta a la gran pregunta de la existencia se encuentra, pues, no sin cierta ironía, en una de las partículas más pequeñas, humildes y esquivas de todo el Universo.