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El detector de neutrinos Super-Kamiokande. Observatorio Kamioka, ICRR (Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos), Universidad de Tokio. |
En los primeros instantes del universo, cuando todo era una masa hirviente de energía pura, la materia y la antimateria nacieron en proporciones idénticas. Cada electrón venía acompañado de su reflejo opuesto: un positrón. Pero cuando ambos se encontraban, se anulaban mutuamente. Y, sin embargo, miles de millones de años después, aquí estamos —en un universo hecho casi enteramente de materia. ¿Qué pasó con toda la antimateria? Nadie lo sabe con certeza.
Ese es el misterio que hoy intentan resolver dos de los experimentos más ambiciosos del planeta: NOvA en Estados Unidos y T2K en Japón. Ambos estudian a los neutrinos, esas partículas diminutas y esquivas que atraviesan la Tierra sin apenas dejar rastro. En un nuevo estudio publicado en Nature, las dos colaboraciones decidieron unir fuerzas y combinar sus datos para lograr mediciones más precisas que nunca.
“Al juntar ambos experimentos podemos obtener una imagen mucho más clara de cómo se comportan los neutrinos”, explica Ryan Patterson, físico del Instituto de Tecnología de California (Caltech) y codirector del estudio en el lado de NOvA.
El objetivo común es descubrir si los neutrinos y sus contrapartes, los antineutrinos, se comportan de forma diferente. Si hay una ligera asimetría entre ambos, esa podría ser la clave para entender por qué la materia ganó la batalla cósmica frente a la antimateria. Aún no hay una respuesta definitiva, pero las nuevas mediciones reducen las incertidumbres y acercan a los científicos a ese gran hallazgo.
Estudiar neutrinos no es sencillo. “La física de neutrinos es un campo extraño”, comenta Kendall Mahn, de la Universidad Estatal de Míchigan y portavoz del experimento T2K. “Es muy difícil aislar los efectos que realmente queremos observar”.
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Imagen de la detección de un neutrino. Aquí, un neutrino entró por la izquierda e interactuó para producir un muón de alta energía (la «línea» larga y prominente), además de otras partículas. La presencia del muón revela que el neutrino entrante era del tipo correspondiente (neutrino muónico). Los dos paneles muestran el evento desde una vista superior y lateral, lo que es posible gracias a que las celdas del detector funcionan en dos direcciones diferentes. Crédito: Caltech |
Tanto NOvA como T2K son experimentos de “larga distancia”. En el caso de NOvA, un haz de neutrinos viaja 810 kilómetros desde el Fermilab, cerca de Chicago, hasta un gigantesco detector de 14.000 toneladas en Ash River, Minnesota. En Japón, el experimento T2K envía sus neutrinos desde Tokai, sede del acelerador J-PARC, hasta Kamioka, a 295 kilómetros de distancia, donde se encuentra el legendario detector Super-Kamiokande: un tanque subterráneo de agua ultrapura que en 1998 permitió descubrir que los neutrinos tienen masa, un hallazgo que valió el Nobel de Física en 2015.
A pesar de tener masa, los neutrinos son casi etéreos, tanto que pueden atravesar montañas, océanos o incluso el planeta entero sin detenerse. Existen en tres “sabores”: electrón, muón y tau. Pero lo curioso es que, mientras viajan, cambian de sabor. Es como si sales con un helado de fresa y al llegar a casa lo encuentras convertido en chocolate.
Este fenómeno, conocido como oscilación de neutrinos, ocurre porque cada sabor está formado por una mezcla cuántica de tres “estados de masa”. A medida que el neutrino se mueve, esas proporciones cambian y su sabor se transforma. Lo que los científicos intentan descubrir ahora es si los neutrinos y los antineutrinos oscilan de manera distinta. Si lo hacen, esa pequeña diferencia podría ser la razón por la que tú, yo y todo lo que conocemos existimos.
El reto es que los investigadores aún no saben cuánto pesan exactamente esos tres estados de masa. Patterson lo explica con una analogía simple: “Sabemos que los tres sabores están hechos de ingredientes diferentes, pero no sabemos qué ingrediente es más pesado ni cómo se ordenan entre sí”. Existen dos posibilidades: el orden normal, donde dos estados son ligeros y uno pesado, o el orden invertido, con dos pesados y uno ligero.
Determinar ese orden es una de las grandes metas del campo. Y aunque los resultados combinados de NOvA y T2K todavía no favorecen ninguna de las dos opciones, si en el futuro se confirma que el orden es invertido, los datos publicados ahora serían una evidencia fuerte de que existe una asimetría real entre neutrinos y antineutrinos, lo que ayudaría a explicar la supremacía de la materia.
El futuro de la investigación promete avances aún más decisivos. En Estados Unidos, los científicos de Caltech y Fermilab trabajan en el Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), un proyecto colosal que cruzará 1.300 kilómetros desde Illinois hasta Dakota del Sur. Será tan sensible que podría resolver el misterio en cuestión de años tras su puesta en marcha, prevista para inicios de la década de 2030.
Mientras tanto, Japón construye Hyper-Kamiokande, sucesor del Super-Kamiokande, y China avanza con su Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO). Con esta nueva generación de experimentos, la física de neutrinos está a punto de entrar en una era dorada. Quizás pronto descubramos por qué, en el caos primordial del universo, la materia encontró la manera de sobrevivir.
¿Y si ese pequeño desequilibrio cuántico fue, en realidad, el primer paso hacia todo lo que hoy llamamos “realidad”?