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Sin duda unas de las partículas más interesantes que describen nuestro universo son los neutrinos. Estas partículas tienen unas propiedades muy interesantes. Tanto, que hoy en día, entender cómo es la fenomenología existente en ellas es uno de los principales objetivos para muchos físicos de partículas. Su propia existencia ha puesto en jaque varias veces al Modelo estándar y, de hecho, lo sigue haciendo a día de hoy.

Entendiendo la física de neutrinos.

Neutrinos, el origen del enigma.

Corría el año 1930, cuando el físico austríaco Wolfram Pauli postuló por primera vez la existencia de tales partículas tan exóticas. Su postulado surge como la solución a un problema que se había planteado con las desintegraciones \beta. El problema residía en que tales procesos no conservaban la energía y el momento lineal de todas las partículas involucradas. Para solventar esto, Pauli propuso que debía existir una partícula sin masa, sin carga y que tampoco interaccionara fuertemente. Es por ello que no fue hasta casi 20 años más tarde, cuando  Clyde Cowan y Frederick Reines demostraron experimentalmente su existencia, que se tuvo completa certeza de los neutrinos estaban allí realmente en esos procesos.

Pero, ¿qué son realmente los neutrinos?

Formalmente a los neutrinos se les define como un tipo de partícula que se engloba dentro del conjunto de los leptones. Como ya se mencionó en un posterior artículo, donde hablábamos sobre los resultados experimentales del muón g2 de Fermilab, el muón también es un leptón. Como no podía ser de otra forma, en el modelo estándar original, existe el neutrino muónico, junto con sus dos primos hermanos, el electrónico y el tauónico. Juntos forman los tres estados de sabor que existen en el marco teórico actual y que se pueden observar en la previamente usada figura 1.

Figura 1: Imagen donde se observan las partículas fundamentales del modelo estándar. Se observan las tres generaciones de partículas y cómo los leptones son las que se pintan en color verde. Esta imagen tiene una licencia de Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported. El autor es Buckminsterfullereno C60 y la URL de la imagen viene especificada en la bibliografía.

Es importante mencionar que estas partículas no interaccionan con prácticamente nada. De hecho, esto hace que los experimentos que se realizan con ellos sean bastantes complicados desde un punto de vista técnico. Ahora mismo está usted siendo atravesado por miles y miles de neutrinos que proceden, de entre otras fuentes, nuestro Sol.

Empiezan los problemas, la oscilación de neutrinos.

Oscilar nunca fue tan divertido.

Resulta que una de las propiedades principales de estas partículas es que son capaces de oscilar entre unos estados de sabor y otros. Esto significa que, por ejemplo, inicialmente podemos tener un estado de neutrino electrónico y, tras recorrer una cierta distancia, obtener un neutrino muónico. Este hecho se puso de manifiesto con experimentos tan importantes como el realizado en EEUU, el experimento Homestake. En el cual, se detectaron solo 1/3 de los electrones esperados. ¿Qué ocurrió? La realidad es que el experimento estaba diseñado para medir solo neutrinos del electón. De los iniciales que salían del Sol, solo se detectaba 1/3 porque la parte restante había oscilado a las otras dos familias del modelo estándar. Este fenómeno supuso un problema con el que tuvieron que lidiar los científicos de finales del siglo XX. La respuesta, no más lejos de la realidad, consistía en una equivocación de base: los neutrinos sí tienen masa realmente.

La masa de los neutrinos.

El hecho fundamental de por qué oscilan estas partículas es porque cada uno de los estados de sabor esta construido, en realidad, por una combinación lineal de tres estados de masa. Este hecho es asombroso. Como los estados de masa son distintos (unos pesan más que otros), la velocidad con la que se propagan por el espacio es distinta para los tres estados de masa. La manera más intuitiva de entender esto es ver a los neutrinos como ondas siguiendo la formulación de la mecánica cuántica. Cada estado de masa produce una onda que se propaga en el espacio a distinta velocidad. Esto hace que la composición de las tres, en un determinado momento, pueda dar un estado concreto de sabor. Pero transcurrido un tiempo o una distancia, esta composición puede dar lugar a una onda total resultante diferente, la característica a otro estado de sabor del neutrino.

Existe una solución para (casi) todo.

Lugar de los neutrinos en el modelo estándar actual.

El hecho es que la existencia de la oscilación de neutrinos y la posterior propuesta de sus estados de masa hizo temblar los cimientos del modelo estándar. Este no predice la existencia de la masa de los neutrinos. Es por ello que a lo largo de los años se ha intentando ir dando respuestas al por qué de este hecho, sobre todo desde una visión de la teoría cuántica de campos. Los términos de masa no son fáciles de incluir en esta teoría, puesto que no suelen respetar el resto de simetrías. Una posibilidad es considerar lo que se denominan neutrinos de Majorana, donde el término de masa está relacionado no solo con el campo del neutrino, sino también con su complejo conjudado.

El futuro en los experimentos de neutrinos.

Muchos retos son todavía los que quedan por responder. Desde un punto de vista teórico, hay que seguir buscando la forma de que el modelo estándar sea capaz de predecir las masas de los neutrinos. A nivel experimental, nuevos experimentos de oscilación de neutrinos se están poniendo a punto, como el SBND o DUNE. En ellos se intenta dar respuesta a unas anomalías en los datos que se han ido obteniendo en distintos experimentos a lo largo de los años. Estas anomalías sugieren que podría existir un cuarto estado de masa de neutrino, en vez de los tres que hemos mencionado. Lo que está claro es que queda todavía un largo camino por recorrer hasta conseguir entender completamente la naturaleza de estas partículas tan misteriosas.

Miguel Jimenez Ortega

Estudiante de último curso de Física en la Universidad de Granada (UGR). Apasionado de la física y las matemáticas, trabajando por una divulgación científica clara e interesante.

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