27 Los neutrinos

Entre todas las partículas elementales conocidas, el neutrino ocupa un lugar singular. Es extraordinariamente abundante en el universo y, sin embargo, extremadamente difícil de detectar. Carece de carga eléctrica, no participa en la interacción fuerte y solo interactúa mediante la interacción débil y la gravedad. Como consecuencia, puede atravesar enormes cantidades de materia ordinaria casi sin perturbarla, lo que convierte su estudio experimental en un desafío formidable.

Desde su propuesta teórica en 1930 por Wolfgang Pauli hasta su detección directa más de dos décadas después, el neutrino ha desempeñado un papel fundamental en la consolidación de la física de partículas y en la comprensión de las interacciones débiles.

Pauli y Borh. Dos "jovenzuelos" jugando a la peonza.

Durante mucho tiempo se pensó que los neutrinos eran partículas estrictamente sin masa. No fue hasta 1998 cuando el experimento Super-Kamiokande, en Japón, liderado por Takaaki Kajita, proporcionó la primera evidencia inequívoca de que los neutrinos poseen una masa distinta de cero. El análisis de neutrinos atmosféricos mostró que estos cambian de sabor durante su propagación, un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos, que solo puede explicarse si los neutrinos tienen masa. Este fenómeno será analizado con más detalle a lo largo de este capítulo.

El descubrimiento de la masa del neutrino tuvo un profundo impacto conceptual, ya que el modelo estándar, en su formulación mínima, asumía que los neutrinos eran completamente carentes de masa, al igual que los fotones, aunque por razones teóricas diferentes.

Hoy sabemos que el neutrino es una partícula fundamental, eléctricamente neutra y con una masa extremadamente pequeña, capaz de recorrer distancias cosmológicas sin ser absorbida ni desviada. Precisamente por estas propiedades, los neutrinos constituyen una ventana privilegiada tanto al interior de las estrellas como a procesos físicos que podrían revelar la existencia de fenómenos más allá del modelo estándar.

 

Los neutrinos en el modelo estándar.

Como vimos en el capítulo Las partículas fundamentales, los neutrinos forman parte del sector leptónico del modelo estándar. Existen tres familias leptónicas, cada una compuesta por un leptón cargado y su correspondiente neutrino:

electrón y neutrino electrónico(𝝊_𝒆),

muón y neutrino muónico (𝝊_𝝁),

tau y neutrino tauónico(𝝊_𝝉).

Los neutrinos no poseen carga eléctrica ni carga de color, por lo que no participan en las interacciones electromagnética ni fuerte. Su única interacción no gravitatoria es la interacción débil, mediada por los bosones W y Z. En los procesos débiles cargados, el neutrino aparece siempre asociado a su leptón cargado correspondiente, lo que justifica la noción de sabor leptónico.

 

Las propiedades cuánticas fundamentales de los neutrinos.

Los neutrinos son fermiones fundamentales de espín 1/2, al igual que los electrones y los quarks. Obedecen la estadística de Fermi–Dirac y el principio de exclusión de Pauli.

A diferencia de otros fermiones fundamentales, los neutrinos se caracterizan por la pequeñez extrema de su masa. Aunque su valor exacto se desconoce, los datos experimentales indican que su masa es al menos un millón de veces menor que la del electrón. Esta propiedad explica que se desplacen a velocidades muy cercanas a la de la luz.

En el marco del modelo estándar, se asigna un número leptónico total L = +1 a los neutrinos y L = -1 a los antineutrinos, cantidad que se conserva en todas las interacciones ordinarias.

En cuanto a su helicidad, el experimento de Goldhaber (1958) demostró que los neutrinos emitidos en procesos de desintegración beta presentan helicidad negativa, es decir, su espín se encuentra predominantemente opuesto al sentido de su momento lineal. Este resultado constituyó una confirmación temprana del carácter profundamente asimétrico de la interacción débil.

La confirmación experimental de que neutrinos y antineutrinos participan en la interacción débil con quiralidad bien definida – izquierda para los neutrinos y derecha para los antineutrinos – se consolidó durante la década de 1960, en el contexto de los primeros experimentos con haces de neutrinos, como el descubrimiento del neutrino muónico en 1962 por Lederman, Schwartz y Steinberger.

Aunque los neutrinos se producen y detectan en las interacciones débiles con una quiralidad bien definida, el hecho de que tengan masa distinta de cero implica que los estados físicos observables no sean de quiralidad pura, sino que contengan una contribución muy pequeña de la quiralidad opuesta, como hemos visto en el capítulo anterior.

 

Las oscilaciones de neutrinos.

Los neutrinos pueden cambiar de sabor leptónico durante su propagación, un fenómeno puramente cuántico conocido como oscilación de neutrinos. Como consecuencia, un neutrino producido inicialmente como neutrino electrónico puede ser detectado más adelante como neutrino muónico o tauónico.

La posibilidad de que los neutrinos oscilen entre distintos sabores implica necesariamente que estas partículas posean una masa distinta de cero. Por este motivo, la observación de las oscilaciones de neutrinos en el experimento Super-Kamiokande proporcionó una evidencia inequívoca de que los neutrinos tienen masa.

El fenómeno de la oscilación de neutrinos permitió además resolver el denominado problema de los neutrinos solares. Durante décadas, los detectores observaron solo una fracción de los neutrinos electrónicos esperados procedentes del Sol. En 2001, Arthur B. McDonald y su equipo en el Sudbury Neutrino Observatory (SNO) demostraron que los neutrinos solares no desaparecían, sino que se transformaban en otros sabores que los detectores anteriores no eran capaces de registrar. Este resultado confirmó tanto la validez de los modelos solares como la realidad física de las oscilaciones de neutrinos.

 

Los estados de sabor y de masa en los neutrinos.

Entre los distintos estados cuánticos que caracterizan a una partícula, resulta especialmente relevante la distinción entre estados de sabor (o de interacción) y estados de masa.

El término sabor designa una propiedad asociada a la forma en que una partícula participa en una interacción fundamental. Un estado de sabor es, por tanto, el estado cuántico correspondiente a esa propiedad, es decir, el estado que interactúa de manera definida en una interacción concreta. Este concepto se aplica a aquellas partículas para las cuales una interacción distingue entre distintos tipos internos, como ocurre de forma destacada en el caso de los neutrinos y los quarks.

En el caso de los neutrinos, los estados de sabor están definidos por la interacción débil:

el neutrino electrónico es el estado de sabor que participa en interacción débil junto al electrón,

el neutrino muónico, junto al muón,

el neutrino tauónico, junto al tauón.

Por lo tanto, el estado de sabor lo determina la interacción débil, no su masa.

De manera análoga, conviene distinguir entre la masa de una partícula – un valor numérico – y un estado de masa, que es un estado cuántico con un valor de masa bien definido. Esta distinción solo adquiere relevancia física cuando los estados de masa no coinciden con los estados de sabor, como ocurre en el caso de los neutrinos. En la mayoría de las demás partículas fundamentales, ambas nociones coinciden de forma trivial, por lo que no es necesario diferenciarlas explícitamente.

Puede decirse, en términos generales, que los neutrinos se producen, interactúan y se detectan en estados de sabor, mientras que se propagan libremente como estados de masa, que son los que gobiernan su evolución temporal.

En la mayoría de las partículas fundamentales, los estados de sabor coinciden con los estados de masa, o bien esta distinción carece de consecuencias experimentales observables, por lo que no suele mencionarse.

Por ejemplo, el electrón posee un único estado de sabor electrónico, que coincide con su estado de masa y con su masa bien definida. En este caso, basta con referirse simplemente a la masa del electrón.

Esta identificación directa entre estado de sabor y de masa deja de ser válida en el caso de los neutrinos. Como consecuencia, un neutrino producido en un estado de sabor determinado no posee una masa bien definida, sino que se encuentra en una superposición cuántica de distintos estados de masa. Esta estructura cuántica es la responsable directa del fenómeno de las oscilaciones de neutrinos.

 

La jerarquía de masas de los neutrinos.

Los experimentos de oscilaciones de neutrinos han demostrado que los neutrinos poseen masa, pero también han puesto de manifiesto una importante limitación de nuestro conocimiento actual: no conocemos sus masas absolutas, sino únicamente las diferencias entre los cuadrados de sus masas, denotadas por Δm².

Además, como hemos visto, en el caso de los neutrinos es esencial distinguir entre los estados de sabor (electrónico, muónico y tauónico) y los estados de masa, que se suelen denotar como 𝝊₁, 𝝊₂ y 𝝊₃. Estos dos conjuntos de estados no coinciden: cada estado de sabor es una superposición cuántica de los tres estados de masa.

Como consecuencia, no puede asignarse una masa única y bien definida a un neutrino de sabor concreto. Solo puede hablarse de la probabilidad de que un determinado estado de sabor esté asociado a cada uno de los estados de masa. En particular, los datos experimentales indican que:

El neutrino electrónico contiene una mayor componente del estado de masa 𝝊₁.

Los neutrinos muónico y tauónico presentan mezclas más repartidas de los estados 𝝊₂ y 𝝊₃, siendo este último prácticamente exclusivo de estos dos sabores.

Esta situación da lugar a una cuestión fundamental aún no resuelta: el orden relativo de las masas de los estados 𝝊₁, 𝝊₂ y 𝝊₃, conocido como el problema de la jerarquía de masas de los neutrinos. Existen dos posibilidades principales:

Jerarquía normal (NH).  Los estados 𝝊₁ y 𝝊₂ serían los más ligeros, mientras que 𝝊₃ sería significativamente más pesado, siguiendo un patrón análogo al observado en otras partículas fundamentales.

Jerarquía invertida (IH). Los estados 𝝊₁ y 𝝊₂ serían los más pesados y tendrían masas muy próximas entre sí, mientras que 𝝊₃ sería el más ligero, separado por una brecha mayor.

Dado que el neutrino electrónico está dominado por el estado 𝝊₁, sería el más ligero de los tres sabores en el caso de jerarquía normal, pero el más pesado en el escenario de jerarquía invertida. Por el contrario, los neutrinos muónico y tauónico no presentan una asociación preferente tan marcada con un único estado de masa.

La extrema pequeñez de las masas de los neutrinos y, sobre todo, la pequeñez de sus diferencias de masa, permite que los distintos estados de masa se propaguen de forma coherente a lo largo de grandes distancias. Esta coherencia cuántica es la responsable de las oscilaciones de neutrinos.

Determinar la jerarquía de masas de los neutrinos no es un simple detalle técnico: se trata de una de las claves fundamentales para comprender el origen de sus masas y apunta claramente hacia una física que va más allá del modelo estándar.

 

El mecanismo seesaw.

La existencia de masa en los neutrinos constituye una de las pruebas más claras de que el modelo estándar, en su forma mínima, es incompleto.

A diferencia de otras partículas, que obtienen su masa a través del mecanismo de Higgs, los neutrinos podrían recibirla mediante un mecanismo distinto, debido a su extraordinaria pequeñez.

Una propuesta especialmente atractiva es el mecanismo seesaw (o “del balancín”), que explica la pequeña masa de los neutrinos de quiralidad izquierda – los que participan en la interacción débil – mediante su conexión con neutrinos de quiralidad derecha significativamente más pesados.

En este marco, los neutrinos derechos estériles no interactúan mediante la interacción débil y solo sentirían la gravedad de manera significativa. La relación inversa entre las masas se asemeja a un balancín: cuanto más pesada es la masa del neutrino estéril, más ligera es la del neutrino activo correspondiente. Este mecanismo encaja de forma natural en teorías más amplias, como las teorías de gran unificación, ya estudiadas en un capítulo previo.

Algunos modelos sugieren que ciertos neutrinos estériles podrían constituir una fracción de la materia oscura del universo, aunque todavía no se han detectado de manera definitiva. Experimentos como KATRIN, que buscan directamente la masa de los neutrinos activos, y otros dedicados a neutrinos estériles, continúan sin proporcionar evidencia concluyente sobre su existencia. Por su parte, los neutrinos activos, que debido a su masa extremadamente pequeña no pueden explicar la mayor parte de la materia oscura, podrían interactuar débilmente con ella de manera indirecta en modelos más exóticos.

 

El neutrino: Dirac o Majorana.

Dado que los neutrinos carecen de carga eléctrica, surge de manera natural la cuestión de si neutrinos y antineutrinos son realmente partículas distintas o si, por el contrario, corresponden a una única entidad física. Esta pregunta no es meramente terminológica, sino que tiene profundas implicaciones para la estructura del modelo estándar y para la comprensión del origen de la masa de los neutrinos.

En el marco del modelo estándar, donde neutrino y antineutrino son entidades físicas distintas, ambas son partículas de Dirac, al igual que todos los demás fermiones asociados a campos de Dirac. En este escenario:

Tanto los neutrinos como los antineutrinos se producen y se detectan como superposiciones cuánticas de los tres estados de masa 𝝊₁, 𝝊₂ y 𝝊₃, que son idénticos en ambos casos. La diferencia entre ambas partículas no reside en los estados de masa, sino en dos propiedades fundamentales: el número leptónico y la quiralidad.

Número leptónico: L = +1 para el neutrino y L = -1 para el antineutrino.

Quiralidad: los neutrinos observados en interacciones débiles poseen quiralidad izquierda, mientras que los antineutrinos presentan quiralidad derecha.

Sin embargo, desde el punto de vista teórico, no existe ninguna razón fundamental que impida que una partícula neutra sea idéntica a su propia antipartícula. Las partículas que cumplen esta propiedad se denominan partículas de Majorana, concepto introducido en 1937 por Ettore Majorana en el contexto de fermiones sin carga eléctrica.

El fotón constituye un ejemplo familiar de partícula idéntica a su antipartícula, aunque al ser un bosón gauge sin masa no es un ejemplo de partícula de Majorana en sentido estricto. Dentro del sector de los fermiones del modelo estándar, el neutrino es el único candidato natural a poseer carácter de Majorana.

Si los neutrinos fueran partículas de Majorana:

La distinción entre neutrino y antineutrino no correspondería a identidades físicas diferentes, sino únicamente a su quiralidad.

La componente de quiralidad izquierda y la de quiralidad derecha serían dos manifestaciones de una la misma partícula con masa bien definida.

Como consecuencia, el número leptónico dejaría de ser estrictamente conservado, abriendo la posibilidad de procesos que lo violen.

 

Mecanismo seesaw y neutrinos de tipo Majorana.

En muchos modelos teóricos más allá del modelo estándar, la idea de neutrinos de tipo Majorana aparece de forma natural. En particular, entre las variantes del mecanismo seesaw, la más aceptada – denominada seesaw tipo I – propone que, además de los neutrinos ligeros observados experimentalmente, surgen estados de masa muy pesados, uno por cada familia leptónica. Tanto los neutrinos ligeros como los muy pesados corresponden a la misma entidad de tipo Majorana.

Este mecanismo se caracteriza por:

Tres estados de sabor (electrónico, muónico y tauónico), definidos por la forma en que participan en la interacción débil. Ya hemos visto que son los estados en los que los neutrinos se producen y se detectan.

La partícula única posee componentes de quiralidad izquierda y derecha, y el número leptónico deja de ser estrictamente conservado.

Tres estados de masa ligeros (𝝊₁, 𝝊₂ y 𝝊₃) en superposición cuántica, responsables de las oscilaciones de neutrinos.

Tres estados de masa muy pesados (N₁, N₂ y N₃), formados principalmente por componentes de quiralidad derecha que no participan en la interacción débil. Su mezcla con los estados de sabor ligeros es extremadamente pequeña, lo que explica por qué no se han observado directamente.

Cada estado de sabor se produce y se detecta como superposición de los tres estados de masa ligeros, mientras que los estados de masa pesados permanecen prácticamente inactivos en procesos de baja energía.

Más allá del sector leptónico, otras extensiones del modelo estándar también predicen partículas de tipo Majorana. En teorías supersimétricas, por ejemplo, el neutralino, candidato a materia oscura, y el gluino, compañero supersimétrico del gluón, son ejemplos de partículas que podrían poseer naturaleza de Majorana.

La posible naturaleza de Majorana del neutrino no es solo una cuestión teórica: su confirmación experimental tendría profundas consecuencias para la física de partículas, la cosmología y la comprensión del origen de la asimetría entre materia y antimateria en el universo.

 

La desintegración doble beta.

Como vimos en el capítulo La teoría electrodébil, la desintegración beta menos (β^–) es un proceso en el que un neutrón libre (n) se convierte en un protón (p), emitiendo un electrón (e^–) y un antineutrino electrónico (‾𝝊_𝒆). Este proceso también se denomina desintegración beta simple. En términos del número leptónico, al inicio del proceso   L = 0, (protón y neutrón tienen L = 0) y al final también L = 0, ya que el electrón aporta L = +1 y el antineutrino L = -1.

En algunos núcleos atómicos, la desintegración beta simple no es energéticamente posible. Sin embargo, puede ocurrir un proceso de segundo orden llamado desintegración doble beta, en el que dos neutrones del núcleo se transforman simultáneamente en dos protones, emitiendo dos electrones y dos antineutrinos electrónicos (‾𝝊_𝒆). En este caso, el número leptónico total también se conserva: L = 0 al inicio y L = 0 al final.

Este proceso, conocido como desintegración doble beta con neutrinos, está permitido dentro del modelo estándar y ha sido observado experimentalmente en varios núcleos, como ⁷⁶Ge o ¹³⁶Xe.

El experimento verdaderamente revolucionario sería la desintegración doble beta sin neutrinos, en la que solo se emiten los dos electrones, sin ningún neutrino. Para que este proceso sea posible, el neutrino debe ser una partícula de Majorana, es decir, idéntica a su propia antipartícula. En ese caso, los dos neutrinos que se generarían en el proceso se aniquilan entre sí inmediatamente.

Las consecuencias físicas de este fenómeno serían:

Violación del número leptónico total: el número leptónico inicial es L = 0, mientras que el final sería L = +2 por los dos electrones.

Imposibilidad si los neutrinos son fermiones de Dirac.

Requisito de masa distinta de cero: los neutrinos deben masa para que el proceso ocurra.

La observación de la desintegración doble beta sin neutrinos proporcionaría evidencia directa de varios aspectos fundamentales:

Confirmaría que el neutrino es una partícula de Majorana.

Demostraría la violación del número leptónico, un fenómeno ausente en el modelo estándar mínimo.

Respaldaría escenarios teóricos como el mecanismo seesaw y la leptogénesis, relacionados con el origen de la materia en el universo.

Abriría una ventana hacia nueva física más allá del modelo estándar.

Hasta la fecha, la desintegración doble beta sin neutrinos no ha sido observada, pero su detección sería uno de los hitos más profundos en la física de partículas moderna, capaz de transformar nuestra comprensión de los neutrinos y de la asimetría materia–antimateria en el cosmos.

 

La leptogénesis.

Como vimos en el capítulo dedicado a la antimateria, la existencia de una asimetría entre materia y antimateria en el universo es uno de los grandes enigmas de la cosmología, y los neutrinos podrían desempeñar un papel clave en su explicación.

Entre los mecanismos teóricos que cumplen las condiciones de Sakharov, uno de los más plausibles es la leptogénesis. En este escenario, en el universo temprano, los neutrinos pesados de tipo Majorana se desintegrarían de manera asimétrica, violando tanto la conservación de B−L como la simetría CP, lo que generaría un exceso de leptones sobre antileptones.

Posteriormente, esta asimetría leptónica puede convertirse parcialmente en una asimetría bariónica mediante los llamados esfalerones. Los esfalerones no son partículas, sino configuraciones de campo de alta energía dentro de la teoría electrodébil que actúan como “puentes” entre el número leptónico y el número bariónico.

Los esfalerones permiten que ciertos procesos, que normalmente estarían prohibidos por la conservación de B−L a bajas energías, ocurran cuando las condiciones son extremas, como en los primeros instantes del universo. De este modo, parte del exceso de leptones generado por la desintegración de neutrinos de Majorana se convierte en un exceso equivalente de bariones, dando lugar finalmente al predominio de materia sobre antimateria que observamos en el universo actual.

 

La detección y los experimentos con neutrinos.

Los neutrinos se producen de forma natural en numerosas fuentes: en el interior del Sol, en la atmósfera terrestre por la interacción de los rayos cósmicos, en supernovas y en el interior de la Tierra debido a la radiactividad natural.

También se generan artificialmente en reactores nucleares y aceleradores de partículas.

Para detectarlos, se utilizan grandes detectores situados bajo tierra o bajo el hielo, donde la protección contra la radiación de fondo permite registrar incluso las interacciones más raras. Experimentos históricos y actuales, como Super-Kamiokande, SNO, KamLAND o IceCube, han sido decisivos para confirmar la existencia de oscilaciones, medir diferencias de masa y explorar propiedades fundamentales de los neutrinos.

 

El papel de los neutrinos en la física actual.

Los neutrinos, partículas casi indetectables pero omnipresentes, constituyen una ventana privilegiada hacia nueva física. Su masa extremadamente pequeña, su posible naturaleza de Majorana y su relación con escalas de energía muy altas los convierten en candidatos esenciales para probar teorías que van más allá del modelo estándar, como las teorías de gran unificación.

Además, debido a su débil interacción con la materia, los neutrinos actúan como mensajeros únicos de regiones inaccesibles del universo, proporcionando información directa sobre procesos astrofísicos y cosmológicos extremos, desde el interior del Sol hasta explosiones de supernovas o núcleos galácticos activos.