Los simuladores del viaje de los neutrinos, esenciales para entender la formación del universo, estaban equivocados

Un equipo científico descubre que los actuales programas fallan al describir las interacciones de las partículas fantasmagóricas que esconden los secretos del cosmos

Dos técnicos trabajan en el interior del tanque de agua del detector de neutrinos Super-Kamiokande, en Japón.
Dos técnicos trabajan en el interior del tanque de agua del detector de neutrinos Super-Kamiokande, en Japón.Universidad de Tokio

Si una persona coge un bolígrafo y dibuja en la palma de su mano un cuadrado de un centímetro de lado, esa pequeña superficie será inmediatamente atravesada por unos 65.000 millones de neutrinos procedentes de las reacciones nucleares del Sol. Y cada segundo pasarán otros 65.000 millones. Los neutrinos son, junto a los fotones de la luz, las partículas elementales más abundantes del universo. Y, sin embargo, son escurridizas, extremadamente difíciles de detectar, al carecer de carga eléctrica y tener una masa casi nula, millones de veces inferior a la del electrón. La comunidad científica está construyendo máquinas de cientos de millones de euros, como el futuro detector japonés Hiper-Kamiokande, para intentar cazar neutrinos y medir con precisión sus propiedades. Los investigadores creen que estas partículas fantasmagóricas esconden algunos de los mayores secretos sobre el universo. Un equipo internacional de investigadores revela este miércoles una desagradable sorpresa: los simuladores utilizados hasta ahora están plagados de errores. Hay que afinarlos para entender por qué existimos.

El universo comenzó con toda la materia y la energía concentradas en un punto más pequeño que el del final de esta frase. La expansión comenzó con el Big Bang, hace unos 13.700 millones de años. El problema de la teoría es que en el origen del universo se tendría que haber formado la misma cantidad de materia que de antimateria: partículas con la misma masa, pero con valores opuestos de carga eléctrica. Y, si esto fuera así, la materia y la antimateria se habrían aniquilado la una a la otra al entrar en contacto y no existiría el universo conocido. Sin embargo, la realidad es que la antimateria representa menos del 0,0000001 % de la materia total del universo. ¿Qué pasó después del Big Bang para que la materia saliese victoriosa de su combate contra la antimateria?

Muchos físicos, como el español Guillermo Megías, creen que el neutrino tiene la respuesta. “Algo tuvo que romper ese ciclo. Hemos evolucionado a un universo en el que estamos rodeados de materia. En un bolígrafo o en una mesa no hay antimateria”, explica Megías, recién reincorporado a la Universidad de Sevilla tras dos años en la Universidad de Tokio. El físico, sevillano de 34 años, detalla que la clave puede estar en la llamada oscilación de los neutrinos: estas partículas cambian su identidad a medida que se desplazan por el espacio, pudiendo adoptar tres tipos o sabores. Son camaleónicas, lo que implica que tienen masa, al contrario de lo que se pensaba. El descubrimiento de este fenómeno mereció el Nobel de Física en 2015 para el japonés Takaaki Kajita y el canadiense Arthur McDonald.

La victoria de la materia frente a la antimateria

Guillermo Megías participa en el T2K, un audaz experimento diseñado para investigar esa metamorfosis. Los científicos generan un chorro de neutrinos en la costa este de Japón e intentan cazarlos en la otra costa, a unos 300 kilómetros, en el Super-Kamiokande: un detector subterráneo inaugurado en 1996 en el interior de una antigua mina de zinc. Trillones de neutrinos lo atraviesan sin dejar rastro, pero de vez en cuando alguno choca con la materia de un gigantesco tanque de 41 metros de altura relleno con 50.000 toneladas de agua. Los cambios observados en la composición y la intensidad de los neutrinos en ese viaje kilométrico permiten deducir sus misteriosas propiedades.

Las mediciones, sin embargo, dependen de modelos teóricos que predicen la forma de interaccionar de los neutrinos con los núcleos de los átomos. El nuevo estudio, publicado este miércoles en la revista Nature, revela que los simuladores que usan estos modelos están plagados de imprecisiones. Hay que afinarlos, sobre todo ahora que se están construyendo descomunales detectores, como el japonés Hiper-Kamiokande, ocho veces mayor que el Super-Kamiokande y con un coste de más de 500 millones de euros, y el estadounidense DUNE, un proyecto similar en una antigua mina de oro de Dakota del Sur, valorado inicialmente en más de 900 millones de euros.

Los neutrinos apenas interactúan con la materia. Podrían atravesar incluso una barrera de plomo de nueve billones de kilómetros de grosor. En los experimentos actuales, como el japonés T2K o el estadounidense NOvA, los científicos solo son capaces de detectar un neutrino por cada varios miles de billones que se producen en aceleradores de partículas. En esas excepcionales ocasiones en las que los neutrinos interaccionan con la materia, por ejemplo al chocar con los núcleos atómicos del agua del Super-Kamiokande, se generan tres tipos de partículas, en función del sabor del neutrino: electrones, muones (similares a los electrones, pero 200 veces más pesados) o taus (4.000 veces más pesados).

Los experimentos actuales miden estas partículas resultantes, fácilmente detectables, para deducir las propiedades de las oscilaciones de neutrinos, intentando reconstruir las energías del proceso con modelos teóricos. Los autores del nuevo trabajo —liderados por el físico israelí Or Hen, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (EE UU)— han imitado estos experimentos, pero cambiando los neutrinos por electrones, una partícula perfectamente controlada por los científicos. El resultado es sorprendente e inquietante. Los datos sugieren que hasta el 70% de las interacciones están mal reconstruidas con los simuladores actuales, según detalla Megías, coautor de la investigación. Corregir los modelos ayudará a averiguar si la oscilación de los neutrinos hizo que la materia ganase el pulso a la antimateria tras el Big Bang.

La nueva física tiene que estar ahí. La pregunta del millón es si la descubriremos de aquí a unos años”
Pilar Coloma, física

La física Pilar Coloma, nacida en Santa Cruz de Tenerife hace 37 años, subraya la necesidad de afinar los modelos, sobre todo en los futuros experimentos de DUNE y del Hiper-Kamiokande, que pretenden medir las propiedades de los neutrinos con un rigor inédito. “Para llegar a ese nivel de precisión necesitas tener muy controlados tus errores sistemáticos”, señala Coloma, del Instituto de Física Teórica, en Madrid.

Gigantes como el Hiper-Kamiokande también podrían abrir una puerta hacia una nueva física, más allá del Modelo Estándar, la teoría desarrollada desde la década de 1970 que describe el universo usando 17 partículas fundamentales —los bloques fundamentales de la naturaleza— y las interacciones entre ellas. “Se podría descubrir alguna propiedad adicional o incluso algún neutrino que desconocemos”, explica Coloma, también coautora del nuevo estudio.

En los últimos años, varios laboratorios han buscado sin éxito un hipotético cuarto neutrino, bautizado estéril, por su presunta incapacidad para interactuar con el resto de partículas conocidas. Los neutrinos estériles son uno de los posibles ingredientes de la materia oscura, unas enigmáticas partículas que aparentemente componen el 85% de la materia del universo, cinco veces más que la materia clásica, la que forma desde las estrellas a los seres humanos. “La nueva física tiene que estar ahí”, opina Coloma. “La pregunta del millón es si la descubriremos de aquí a unos años”.

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Sobre la firma

Manuel Ansede

Manuel Ansede es periodista científico y antes fue médico de animales. Es cofundador de Materia, la sección de Ciencia de EL PAÍS. Licenciado en Veterinaria en la Universidad Complutense de Madrid, hizo el Máster en Periodismo y Comunicación de la Ciencia, Tecnología, Medioambiente y Salud en la Universidad Carlos III

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