Descubriendo secretos
Cómo una partícula misteriosa podría explicar la falta de antimateria del Universo
Nuevos experimentos centrados en comprender el enigmático neutrino pueden ofrecer ideas.
16 ago 2025 13:15 | 48
Composición artística de la Vía Láctea vista con una lente de neutrinos (azul). Crédito: Colaboración IceCube/NSF/ESO
Todo lo que vemos a nuestro alrededor, desde el suelo bajo nuestros pies hasta las galaxias más remotas, está hecho de materia. Para los científicos, eso ha planteado un problema durante mucho tiempo: según las mejores teorías actuales de los físicos, la materia y su contraparte, la antimateria, deberían haber sido creadas en cantidades iguales en el momento del Big Bang. Pero la antimateria es cada vez más rara en el universo. Entonces, ¿qué pasó?
Los físicos aún no saben la respuesta a esa pregunta, pero muchos piensan que la solución debe implicar alguna diferencia sutil en la forma en que se comportan la materia y la antimateria. Y en este momento, el camino más prometedor hacia ese territorio inexplorado se centra en nuevos experimentos que involucran la misteriosa partícula subatómica conocida como neutrino.
«No quiere decir que los neutrinos sean definitivamente la explicación de la asimetría materia-antimateria, pero una clase muy grande de modelos que pueden explicar esta asimetría están conectados a los neutrinos», dice Jessica Turner, física teórica de la Universidad de Durham en el Reino Unido.
Retrocedamos por un momento: cuando los físicos hablan de materia, eso es solo la materia ordinaria de la que está hecho el universo, principalmente protones y neutrones (que forman los núcleos de los átomos), junto con partículas más ligeras como los electrones. Aunque el término «antimateria» tiene un toque de ciencia ficción, la antimateria no es tan diferente de la materia ordinaria. Por lo general, la única diferencia es la carga eléctrica: por ejemplo, el positrón, la primera partícula de antimateria que se descubre, coincide con un electrón en su masa, pero lleva una carga positiva en lugar de negativa. (Las cosas son un poco más complicadas con partículas eléctricamente neutras. Por ejemplo, un fotón se considera su propia antipartícula, pero un antineutrón se distingue de un neutrón en que está formado por antiquarks en lugar de quarks ordinarios).
Pueden existir varias partículas de antimateria en la naturaleza; Ocurren en los rayos cósmicos y en las nubes de tormenta, y son producidos por ciertos tipos de desintegración radiactiva. (Debido a que las personas, y los plátanos, contienen una pequeña cantidad de potasio radiactivo, emiten cantidades minúsculas de antimateria en forma de positrones).
Los científicos también han creado pequeñas cantidades de antimateria en aceleradores de partículas y otros experimentos, con gran esfuerzo y gasto, lo que pone un freno a los sueños de ciencia ficción de cohetes propulsados por antimateria o armas destructoras de planetas energizadas por ella.
Cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan, liberando energía en forma de radiación. Tales encuentros se rigen por la famosa ecuación de Einstein, E = mc2—la energía es igual a la masa por el cuadrado de la velocidad de la luz, lo que dice que puedes convertir un poco de materia en mucha energía, o viceversa. (Los positrones emitidos por los plátanos y los cuerpos tienen tan poca masa que no notamos las pequeñas cantidades de energía liberadas cuando se aniquilan). Debido a que la materia y la antimateria se aniquilan tan fácilmente, es difícil hacer que un trozo de antimateria sea mucho más grande que un átomo, aunque en teoría podría tener de todo, desde moléculas de antimateria hasta planetas y estrellas de antimateria.
Pero hay un rompecabezas: si la materia y la antimateria se crearon en cantidades iguales en el momento del Big Bang, como sugiere la teoría, ¿no deberían haberse aniquilado, dejando un universo hecho de energía pura? ¿Por qué queda algo de materia?
La mejor conjetura de los físicos es que algún proceso en el universo primitivo favoreció la producción de materia en comparación con la producción de antimateria, pero exactamente cuál fue ese proceso es un misterio, y la pregunta de por qué vivimos en un universo dominado por la materia es uno de los problemas más desconcertantes de toda la física.
Fundamentalmente, los físicos no han podido pensar en ningún proceso de este tipo que encaje con la teoría líder actual de la materia y la energía, conocida como el Modelo Estándar de la física de partículas. Eso deja a los teóricos en busca de nuevas ideas, una física aún desconocida que va más allá del Modelo Estándar. Aquí es donde entran en juego los neutrinos.
Una respuesta neutral
Los neutrinos son partículas diminutas sin carga eléctrica. (El nombre se traduce como «pequeño neutral»). Según el Modelo Estándar, deberían no tener masa, como los fotones, pero los experimentos que comenzaron en la década de 1990 mostraron que, de hecho, tienen una masa pequeña. (Son al menos un millón de veces más livianos que los electrones, los pesos extremadamente ligeros entre la materia normal). Dado que los físicos ya saben que los neutrinos violan el Modelo Estándar al tener masa, su esperanza es que aprender más sobre estas diminutas partículas pueda arrojar información sobre lo que hay más allá.
Sin embargo, los neutrinos han tardado en revelar sus secretos porque apenas interactúan con otras partículas. Alrededor de 60 mil millones de neutrinos del Sol pasan a través de cada centímetro cuadrado de su piel cada segundo. Si esos neutrinos interactuaran con los átomos de nuestros cuerpos, probablemente nos destruirían. En cambio, pasan a través de ellos. «Lo más probable es que no interactúe con un solo neutrino en su vida», dice Pedro Machado, físico de Fermilab, cerca de Chicago. «Es tan poco probable».
Los experimentos, sin embargo, han demostrado que los neutrinos «oscilan» a medida que viajan, cambiando entre tres identidades diferentes: los físicos los llaman «sabores»: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tau. Las mediciones de oscilación también han revelado que los neutrinos de diferentes sabores tienen masas ligeramente diferentes.
La oscilación de neutrinos es extraña, pero puede ser extraña de una manera útil, porque podría permitir a los físicos probar ciertas simetrías fundamentales en la naturaleza, y estas a su vez pueden iluminar la más preocupante de las asimetrías, a saber, el desequilibrio materia-antimateria del universo.
Para los investigadores de neutrinos, una simetría clave se llama paridad de carga o simetría CP. En realidad, es una combinación de dos simetrías distintas: cambiar la carga de una partícula convierte la materia en antimateria (o viceversa), mientras que cambiar la paridad de una partícula convierte una partícula en su imagen especular (como convertir un guante diestro en un guante zurdo). Entonces, la versión opuesta a CP de una partícula de materia ordinaria es una imagen especular de la antipartícula correspondiente. Pero, ¿esta partícula opuesta se comporta exactamente igual que la original? Si no, los físicos dicen que se viola la simetría CP, una forma elegante de decir que la materia y la antimateria se comportan de manera ligeramente diferente entre sí. Por lo tanto, cualquier ejemplo de violación de la simetría CP en la naturaleza podría ayudar a explicar el desequilibrio materia-antimateria.
De hecho, la violación de CP ya se ha observado en algunos mesones, un tipo de partícula subatómica típicamente formada por un quark y un antiquark, un resultado sorprendente encontrado por primera vez en la década de 1960. Pero es un efecto extremadamente pequeño, y está muy lejos de poder explicar la asimetría materia-antimateria del universo.
En julio de 2025, los científicos que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, cerca de Ginebra, informaron de pruebas claras de una violación similar por parte de un tipo de partícula de una familia diferente de partículas subatómicas conocidas como bariones, pero también se cree que esta nueva violación de CP es demasiado pequeña para explicar el desequilibrio materia-antimateria.
Experimentos en el horizonte
Entonces, ¿qué pasa con los neutrinos? ¿Violan la simetría CP y, de ser así, lo hacen de una manera lo suficientemente grande como para explicar por qué vivimos en un universo dominado por la materia? Esta es precisamente la pregunta que aborda una nueva generación de experimentos de física de partículas. El más ambicioso de ellos es el Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos (DUNE), que ahora está en construcción en los Estados Unidos; La recopilación de datos podría comenzar ya en 2029.
DUNE empleará el haz de neutrinos más intenso del mundo, que disparará neutrinos y antineutrinos desde Fermilab hasta el Centro de Investigación Subterránea de Sanford, ubicado a 800 millas de distancia en Dakota del Sur. (No hay túnel; los neutrinos y antineutrinos simplemente atraviesan la tierra, en su mayor parte apenas se dan cuenta de que está allí). Los detectores en cada extremo del haz revelarán cómo oscilan las partículas a medida que atraviesan la distancia entre los dos laboratorios, y si el comportamiento de los neutrinos difiere del de los antineutrinos.
DUNE no precisará la cantidad precisa de violación de simetría CP de los neutrinos (si la hay), pero establecerá un límite superior en ella. Cuanto mayor sea el efecto posible, mayor será la discrepancia en el comportamiento de los neutrinos frente a los antineutrinos, y mayor será la probabilidad de que los neutrinos puedan ser responsables de la asimetría materia-antimateria en el universo primitivo.
Para Shirley Li, física de la Universidad de California, Irvine, el tema de la violación de la CP de neutrinos es una pregunta urgente, que podría señalar el camino hacia un replanteamiento importante de la física de partículas. «Si pudiera tener una respuesta a una pregunta al final de mi vida, me gustaría saber de qué se trata», dice.
Además de ser un descubrimiento importante por derecho propio, la violación de la simetría CP en los neutrinos podría desafiar el Modelo Estándar al señalar el camino hacia otra física novedosa. Por ejemplo, los teóricos dicen que significaría que podría haber dos tipos de neutrinos: los zurdos (los ligeros normales observados hasta la fecha) y los neutrinos diestros mucho más pesados, que hasta ahora son solo una posibilidad teórica. (La «lateralidad» de las partículas se refiere a sus propiedades cuánticas).
Estos neutrinos diestros podrían ser hasta 1015 veces más pesados que los protones, y serían inestables, descomponiéndose casi instantáneamente después de nacer. Aunque no se encuentran en el universo actual, los físicos sospechan que los neutrinos diestros pueden haber existido en los momentos posteriores al Big Bang, posiblemente desintegrándose a través de un proceso que imitaba la violación de CP y favorecía la creación de materia sobre la antimateria.
Incluso es posible que los neutrinos puedan actuar como sus propias antipartículas, es decir, que los neutrinos puedan convertirse en antineutrinos y viceversa. Este escenario, que apoyaría el descubrimiento de neutrinos diestros, haría que los neutrinos fueran fundamentalmente diferentes de partículas más familiares como quarks y electrones. Si los antineutrinos pueden convertirse en neutrinos, eso podría ayudar a explicar a dónde fue la antimateria durante los primeros momentos del universo.
Una forma de probar esta idea es buscar un tipo inusual de desintegración radiactiva, teorizada pero hasta ahora nunca observada, conocida como «desintegración doble beta sin neutrinos«. En la desintegración doble beta regular, dos neutrones en un núcleo se desintegran simultáneamente en protones, liberando dos electrones y dos antineutrinos en el proceso. Pero si los neutrinos pueden actuar como sus propias antipartículas, entonces los dos neutrinos podrían aniquilarse entre sí, dejando solo los dos electrones y una ráfaga de energía.
Se están llevando a cabo o se planean varios experimentos para buscar este proceso de desintegración, incluido el experimento KamLAND-Zen, en la instalación de detección de neutrinos de Kamioka en Japón; el experimento nEXO en las instalaciones de SNOLAB en Ontario, Canadá; el experimento NEXT en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc en España; y el experimento LEGEND en el laboratorio Gran Sasso en Italia. KamLAND-Zen, NEXT y LEGEND ya están en funcionamiento.
Si bien estos experimentos difieren en los detalles, todos emplean la misma estrategia general: utilizan una tina gigante de material radiactivo denso con conjuntos de detectores que buscan la emisión de electrones inusualmente energéticos. (Faltarían los compañeros de neutrinos esperados de los electrones, con la energía que habrían tenido en su lugar transportada por los electrones).
Si bien el neutrino sigue siendo una de las partículas más misteriosas conocidas, está revelando sus secretos de manera lenta pero constante. Al hacerlo, puede descifrar el rompecabezas de nuestro universo dominado por la materia, un universo que permite que florezcan criaturas inquisitivas como nosotros. Los neutrinos que recorren silenciosamente tu cuerpo cada segundo están revelando gradualmente el universo bajo una nueva luz.
«Creo que estamos entrando en una era muy emocionante», dice Turner.
Este artículo apareció originalmente en Knowable Magazine, una publicación sin fines de lucro dedicada a hacer que el conocimiento científico sea accesible para todos. Suscríbete al boletín de noticias de la revista Knowable.
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