Los neutrinos son quizás la más desconcertante de las partículas conocidas. Simplemente ignoran todas las reglas conocidas de cómo deberían comportarse las partículas. Se burlan de nuestros detectores elegantes. Al igual que los gatos cósmicos, se desplazan por todo el universo sin preocuparse ni preocuparse, interactuando ocasionalmente con el resto de nosotros, pero en realidad solo cuando tienen ganas, lo que honestamente no es tan frecuente.
Lo más frustrante de todo es que usan máscaras y nunca se ven igual dos veces.
Pero un nuevo experimento puede habernos llevado un paso más cerca de arrancar esas máscaras. Revelar la verdadera identidad de los neutrinos podría ayudar a responder preguntas de larga data, como si los neutrinos son sus propios socios antimateria, e incluso podría ayudar a unificar las fuerzas de la naturaleza en una teoría coherente.
Un problema masivo
Los neutrinos son raros. Hay tres tipos: el neutrino electrónico, el neutrino muón y el neutrino tau. (También están las versiones antipartículas de esos tres, pero eso no es una gran parte de esta historia). Se llaman así porque estos tres tipos se divierten con tres tipos diferentes de partículas. Los neutrinos de electrones se unen a interacciones que involucran electrones. Los neutrinos muónicos se combinan con muones. No se otorgarán puntos por adivinar con qué interactúa el neutrino tau.
Hasta ahora, eso no es extraño en absoluto. Aquí viene la parte extraña.
Para partículas que son no neutrinos, como electrones, muones y partículas tau, lo que ves es lo que obtienes. Esas partículas son exactamente iguales excepto por sus masas. Si detecta una partícula con la masa de un electrón, se comportará exactamente como debería comportarse un electrón, y lo mismo ocurre con el muón y la tau. Además, una vez que detecte un electrón, siempre será un electrón. Nada más y nada menos. Lo mismo para el muón y la tau.
Pero lo mismo no ocurre con sus primos, los neutrinos de electrones, muones y tau.
Lo que llamamos, digamos, el "tau neutrino" no siempre es el tau neutrino. Puede cambiar su identidad. Puede convertirse, en pleno vuelo, en un electrón o muón neutrino.
Este extraño fenómeno que básicamente nadie esperaba se llama oscilación de neutrinos. Significa, entre otras cosas, que puede crear un neutrino electrónico y enviárselo a su mejor amigo como regalo. Pero para cuando lo obtengan, pueden sentirse decepcionados al encontrar un neutrino tau.
Balancín
Por razones técnicas, la oscilación de neutrinos funciona solo si hay tres neutrinos con tres masas diferentes. Pero los neutrinos que oscilan no son los neutrinos con sabor a electrones, muones y tau.
En cambio, hay tres neutrinos "verdaderos", cada uno con masas diferentes pero desconocidas. Una combinación distinta de estos neutrinos verdaderos y fundamentales crea cada uno de los sabores de neutrinos que detectamos en nuestros laboratorios (electrones, muones, tau). Entonces, la masa medida en laboratorio es una mezcla de esas verdaderas masas de neutrinos. Mientras tanto, la masa de cada verdadero neutrino en la mezcla gobierna con qué frecuencia se transforma en cada uno de los diferentes sabores.
El trabajo para los físicos ahora es desenredar todas las relaciones: ¿cuáles son las masas de esos verdaderos neutrinos y cómo se mezclan para formar los tres sabores?
Entonces, los físicos están en una búsqueda para descubrir las masas de los neutrinos "verdaderos" observando cuándo y con qué frecuencia cambian de sabor. Nuevamente, la jerga de la física es muy poco útil al explicar esto, ya que los nombres de estos tres neutrinos son simplemente m1, m2 y m3.
Una variedad de minuciosos experimentos han enseñado a los científicos algunas cosas sobre las masas de los verdaderos neutrinos, al menos indirectamente. Por ejemplo, conocemos algunas de las relaciones entre el cuadrado de las masas. Pero no sabemos exactamente cuánto pesan los verdaderos neutrinos, y no sabemos cuáles son más pesados.
Podría ser que m3 es el más pesado, más grande que m2 y m1. Esto se llama "ordenamiento normal" porque parece bastante normal, y es lo que los físicos de ordenación esencialmente adivinaron hace décadas. Pero según nuestro estado actual de conocimiento, también podría ser que m2 es el neutrino más pesado, con m1 no muy lejos y m3 insignificante en comparación. Este escenario se llama "orden invertido", porque significa que inicialmente adivinamos el orden incorrecto.
Por supuesto, hay campamentos de teóricos que anhelan que cada uno de estos escenarios sea cierto. Las teorías que intentan unificar todas (o al menos la mayoría) de las fuerzas de la naturaleza bajo un mismo techo generalmente requieren un ordenamiento normal de la masa de neutrinos. Por otro lado, el orden de masa invertida es necesario para que el neutrino sea su propio gemelo antipartícula. Y si eso fuera cierto, podría ayudar a explicar por qué hay más materia que antimateria en el universo.
Entrenamiento DeepCore
¿Cuál es: normal o invertido? Esa es una de las preguntas más importantes que surgieron de las últimas décadas de investigación de neutrinos, y es exactamente el tipo de pregunta que el enorme Observatorio de Neutrinos IceCube fue diseñado para responder. Ubicado en el Polo Sur, el observatorio consiste en docenas de cadenas de detectores hundidos en la capa de hielo antártica, con un "DeepCore" central de ocho cadenas de detectores más eficientes capaces de ver interacciones de baja energía.
Los neutrinos apenas hablan con la materia normal, por lo que son perfectamente capaces de volar directamente a través del cuerpo de la Tierra. Y mientras lo hacen, se transformarán en varios sabores. De vez en cuando, golpearán una molécula en la capa de hielo antártica cerca del detector IceCube, provocando una lluvia de partículas en cascada que emiten una luz sorprendentemente azul llamada radiación Cherenkov. Es esta luz la que detectan las cadenas IceCube.
En un artículo reciente publicado en la revista preimpresa arXiv, los científicos de IceCube utilizaron tres años de datos de DeepCore para medir la cantidad de cada tipo de neutrino que pasó por la Tierra. El progreso es lento, por supuesto, porque los neutrinos son muy difíciles de atrapar. Pero en este trabajo. los científicos informan una ligera preferencia en los datos por el orden normal (lo que significaría que acertamos hace décadas). Sin embargo, no han encontrado nada demasiado concluyente todavía.
¿Es esto todo lo que conseguiremos? Ciertamente no. IceCube se está preparando para una actualización importante pronto, y nuevos experimentos como Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) y Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) también se están preparando para abordar esta cuestión central. ¿Quién sabía que una pregunta tan simple sobre el orden de las masas de neutrinos revelaría gran parte del funcionamiento del universo? Es una pena que tampoco sea una pregunta fácil.
Paul M. Sutter es astrofísico en La universidad de estado de Ohio, gran cantidad de "Pregúntale a un astronauta" y "Radio espacial, "y autor de"Tu lugar en el universo."
