El misterio de los neutrinos: ¿Tienen masa en reposo absoluta y por qué cambian de «sabor»?

Billones de partículas fantasmas están cruzando nuestro cuerpo en este preciso segundo, atravesando la Tierra de lado a lado como si el planeta fuera de cristal. Son los neutrinos, las partículas subatómicas más esquivas, abundantes y misteriosas del universo.

Durante décadas, el Modelo Estándar de la física de partículas —nuestro mapa fundamental del cosmos— asumió que los neutrinos eran como los fotones: puros, veloces y completamente carentes de masa. Sin embargo, una sutil anomalía en los laboratorios más profundos del planeta demostró que la teoría estaba incompleta. Los neutrinos cambian de identidad en pleno vuelo, un fenómeno conocido como oscilación de sabor. Y este truco de magia cuántica tiene una consecuencia inevitable: los neutrinos tienen que pesar algo.

Pero ¿tienen una masa en reposo absoluta? ¿Y qué extraña mecánica cuántica los obliga a mutar mientras viajan por el espacio?

La paradoja cuántica: Los «sabores» frente a las masas

Para entender por qué los neutrinos oscilan, primero debemos comprender que estas partículas viven en un estado de crisis de identidad permanente. En el universo subatómico, los neutrinos se manifiestan en tres tipos o sabores:

Neutrino electrónico (asociado al electrón).

Neutrino muónico (asociado al muón).

Neutrino tauónico (asociado a la partícula tau).

Cuando un neutrino nace en el corazón del Sol o en una central nuclear, lo hace con un sabor bien definido. Por ejemplo, nace como un neutrino electrónico. Sin embargo, la física cuántica nos dice que las partículas también se comportan como ondas.

Aquí viene el giro crucial: un estado de sabor no equivale a un estado de masa.

Un neutrino electrónico no tiene una masa fija. En realidad, es una superposición cuántica, una mezcla de tres «estados de masa» diferentes (llamados simplemente Masa 1, Masa 2 y Masa 3). Cada uno de estos estados de masa viaja a una velocidad ligeramente diferente porque, en física, a mayor masa, menor velocidad para una misma cantidad de energía.

Conforme el neutrino viaja por el espacio, estas tres ondas de masa interfieren entre sí, desfasándose. Al cabo de unos kilómetros, la combinación original de ondas ha cambiado. Si decidiéramos interceptar y medir ese neutrino más adelante, la probabilidad matemática habría cambiado: lo que nació como un neutrino electrónico ahora tiene una enorme probabilidad de ser detectado como un neutrino muónico o tauónico.

(Foto: Wikimedia Commons)

¿Tienen los neutrinos una masa en reposo absoluta?

La respuesta corta es sí, tienen masa en reposo, pero no sabemos exactamente cuánta.

El simple hecho de que los neutrinos oscilen demuestra de forma matemática e irrefutable que al menos dos de los tres estados de masa deben tener un valor mayor que cero. Si los neutrinos no tuvieran masa, viajarían estrictamente a la velocidad de la luz. A esa velocidad, según la teoría de la relatividad de Einstein, el tiempo se detiene por completo para la partícula. Si el tiempo no pasa para el neutrino, este no podría cambiar, experimentar fatiga ni oscilar. La oscilación requiere que el neutrino experimente el paso del tiempo, lo que significa que viaja ligeramente más despacio que la luz y, por ende, posee masa en reposo.

Sin embargo, los experimentos actuales (como Super-Kamiokande en Japón o Sudbury Neutrino Observatory en Canadá, cuyos descubrimientos valieron el Premio Nobel en 2015) se enfrentan a un límite técnico insólito.

Los experimentos de oscilación solo nos permiten medir la diferencia entre los cuadrados de las masas, pero no el valor absoluto de ninguna de ellas. Es como saber que tres personas se llevan un kilo de diferencia entre sí, pero no saber cuánto pesa ninguna en la báscula.

¿Qué sabemos hoy sobre su peso absoluto?

-Sabemos que su masa es increíblemente diminuta, al menos un millón de veces más ligera que la del electrón (que ya de por sí es minúsculo).

-Experimentos de escala global como KATRIN en Alemania, que mide la desintegración del tritio, han establecido que la masa en reposo absoluta del neutrino electrónico es inferior a 0.8 electronvoltios (eV).

-Los datos cosmológicos del fondo cósmico de microondas sugieren que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos debe ser menor a 0.12 eV.

Esto sitúa a los neutrinos en una categoría propia. Su masa es tan ridículamente baja que muchos físicos teóricos sospechan que no adquieren su masa a través del famoso Bosón de Higgs, como el resto de las partículas elementales, sino mediante un mecanismo alternativo aún desconocido, como el hipotético «mecanismo del balancín» (seesaw mechanism).

¿Por qué este misterio le importa a la ciencia moderna?

Resolver el enigma de la masa absoluta de los neutrinos y sus oscilaciones no es un simple capricho de laboratorio. Los neutrinos son la clave para responder a una de las preguntas más existenciales de la ciencia: ¿Por qué existe el universo?

El Big Bang debió haber creado cantidades idénticas de materia y antimateria, las cuales debieron aniquilarse mutuamente dejando un cosmos vacío de estructuras. Si estamos aquí, es porque algo rompió esa simetría. Los físicos sospechan que los neutrinos y sus antipartículas no se comportan exactamente igual al oscilar (un fenómeno llamado violación de la simetría CP).

Si logramos desvelar la masa absoluta y el comportamiento íntimo de estas partículas fantasma, no solo completaremos el mapa de la física cuántica, sino que entenderemos, por fin, los secretos del origen de toda la materia que nos rodea.