Un enorme experimento demuestra que el neutrino es un millón de veces más ligero que el electrón

Un espectacular experimento con forma de zepelín acaba de obtener la medida más precisa de la masa del neutrino, la única partícula elemental que queda por medir de esta forma. La investigación ha determinado que esta partícula tiene una masa de 0,45 electronvoltios (eV), un millón de veces menor que la segunda partícula subatómica más ligera conocida: el electrón.

Los nuevos datos han sido obtenidos por el Experimento de Neutrinos con Tritio de Karlsruhe, Alemania (Katrin), y se publican este jueves en la revista Science, referente de la mejor ciencia mundial. Los hallazgos establecen un límite superior de la masa de esta esquiva partícula, aunque por ahora no permiten determinarla.

Los neutrinos son la segunda partícula más abundante en el universo después del fotón, que compone la luz y no tiene masa. Cada segundo, unos 100 billones de neutrinos nos atraviesan sin que nada suceda. La llamada partícula fantasma no tiene carga, y rara vez interactúa con otras, por lo que son capaces de viajar por el universo durante miles de millones de años. Esto les convierte en un objeto interesantísimo para los científicos que intentan comprender algunos de los fenómenos más violentos del cosmos, como los agujeros negros y las explosiones estelares, que generan estas partículas. También son mensajeros llegados desde el origen del universo, antes incluso de que existiese la luz, pues cada centímetro cúbico del cosmos contiene unos 300 neutrinos que aparecieron tras el Big Bang, hace 13.700 millones de años.

La masa del neutrino es uno de los mayores enigmas de la física actual. El actual modelo que define la materia convencional está compuesto por 17 partículas elementales —quarks, electrones, gluones, bosones—. Este modelo asume que la masa del neutrino es nula. Pero desde hace un par de décadas se sabe que esto es imposible. El neutrino existe en tres formas o sabores diferentes, y a medida que se desplazan van cambiando de una forma a otra. Esta oscilación implica que al menos alguna de sus formas tiene masa, por pequeña que sea.

El corazón de Katrin es un espectrómetro de 24 metros de largo y 10 de ancho, el mayor de la Tierra. La instalación actúa como una enorme cámara de vacío donde se introduce tritio, un gas radiactivo. Este material se desintegra de forma que uno de sus neutrones se transforma en un protón y emite un electrón y un neutrino. Esta última partícula es imposible de detectar, pero sí se puede inferir su masa calculando la energía que tiene el electrón y asumiendo que lo que falta es más o menos la masa del neutrino.

Durante 259 días entre 2019 y 2021, la colaboración Katrin —formada por Alemania, Reino Unido, la República Checa y Estados Unidos— midió la energía de aproximadamente 36 millones de electrones, un conjunto de datos seis veces mayor que en ensayos anteriores. Los resultados marcan el límite superior más estricto de la masa del neutrino, esos 0.45 electronvoltios, con un nivel de confianza del 90%. Este resultado representa la tercera mejora del límite de la masa de esta partícula.

“La campaña de medición de la masa del neutrino del experimento Katrin finalizará en 2025 tras alcanzar los 1.000 días de adquisición de datos,” escribe la física Loredana Gastaldo en un artículo complementario publicado por Science. “El análisis del conjunto completo de datos obtenido de este gran proyecto permitirá estimar la masa efectiva del neutrino electrónico cerca del valor proyectado de 0,3 electronvoltios, con un nivel de confianza del 90%.”, añade. Estas mediciones pueden permitir saber “si existen partículas hipotéticas como el neutrino estéril [llamado así porque no interactúa con la materia en absoluto] así como neutrinos que aparecieron con el nacimiento del universo”, destaca.

El físico Juande Zornoza, investigador del Instituto de Física Corpuscular, un centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia, explica que este nuevo acotamiento es “importante”. “Siendo el neutrino una partícula fundamental del modelo estándar, y además muy especial y abundante, queremos saber todas sus propiedades, y la masa es una de las más importantes”, razona. La masa “es una de sus propiedades más anómalas, porque es muy pequeña. Entender por qué es relevante porque puede apuntar a algún mecanismo distinto de cómo adquieren masa otras partículas. El hallazgo que se presenta este miércoles lo que dice es que no han podido medir la masa exacta, pero sí establecer su límite superior. Con más estadística, podrán bajar un poco más ese límite o tener por fin una medida positiva de la masa, pero para eso necesitan más datos”, añade.