KATRIN: cómo pesar un neutrino que no se puede capturar
Los experimentos de oscilación demostraron que los neutrinos tienen masa, y todos comparten el mismo punto ciego: miden diferencias entre masas al cuadrado, nunca las masas en sí. Dos décadas después de que Super-Kamiokande resolviera si los neutrinos pesan algo, nadie podía decir cuánto. KATRIN se construyó para responder exactamente a eso, de un modo que no toma nada prestado de la teoría, y sin detectar jamás un neutrino.
Medir lo que falta
Cuando el tritio sufre decaimiento beta, emite un electrón y un antineutrino, y la energía disponible se reparte entre ambos. Normalmente el reparto es desigual. Muy de vez en cuando el electrón se lleva casi todo y deja al neutrino casi nada, y en esos sucesos raros la masa en reposo del neutrino se convierte en el factor limitante, porque incluso un neutrino en reposo debe recibir la energía equivalente a su masa.
Eso fija un techo rígido a la energía del electrón, ligeramente por debajo de donde estaría si el neutrino careciera de masa. El tamaño de esa diferencia es la masa del neutrino. La medida se reduce, pues, a determinar la forma exacta del espectro de electrones en su última fracción de electronvoltio.
La dificultad es que ahí casi no ocurren decaimientos. De los aproximadamente 10^11 decaimientos de tritio por segundo en la fuente de KATRIN, solo uno de cada billón cae en la región que porta la información. Todo en el aparato se deriva de la necesidad de reunir suficientes de esos sucesos y medir cada uno con precisión.
La virtud del método es que no supone nada. Usa la conservación de la energía y la cinemática de un decaimiento de dos cuerpos, y nada más. Le da igual si el neutrino es su propia antipartícula, algo que las búsquedas de doble decaimiento beta sin neutrinos deben suponer, y no depende de un modelo cosmológico como sí lo hacen los límites del universo temprano.
Un instrumento de setenta metros para un solo número
El aparato empieza con una fuente gaseosa de tritio sin ventana, en la que el gas circula continuamente a baja temperatura. Los electrones de los decaimientos se guían magnéticamente a lo largo de una línea de 70 metros mientras el tritio se bombea fuera, porque dejarlo llegar al espectrómetro inundaría la medida de fondo.
La pieza central es el espectrómetro principal: un recipiente de 23 metros de largo y 10 de diámetro, evacuado hasta unos 10^-11 milibares. Funciona como una colimación adiabática magnética con filtro electrostático, lo que en la práctica significa que actúa como un filtro paso alto muy afilado para la energía. Solo los electrones por encima de un umbral ajustable pueden remontar el potencial electrostático y alcanzar el detector del otro extremo; el resto es devuelto.
Recorriendo ese umbral por los últimos electronvoltios y contando qué pasa en cada posición, el experimento reconstruye la forma del espectro punto a punto. La precisión exigida es tal que el potencial electrostático debe mantenerse estable en unas pocas partes por millón durante meses.
El espectrómetro se hizo brevemente famoso por su entrega. Construido en Deggendorf, en Baviera, a unos 400 kilómetros de Karlsruhe, era demasiado grande para cualquier carretera, así que viajó por río y mar rodeando media Europa: unos 8.600 kilómetros por el Danubio, el mar Negro, el Mediterráneo, el Atlántico y el Rin para cubrir esa distancia.
El experimento en cifras
KATRIN opera en el Instituto Tecnológico de Karlsruhe; la toma de datos comenzó en 2019.
- Método: espectroscopía de precisión del punto final del decaimiento beta del tritio, independiente del modelo
- Línea de haz: aproximadamente 70 metros desde la fuente hasta el detector
- Espectrómetro principal: 23,3 metros de largo, 10 de diámetro, vacío en torno a 10^-11 milibares
- Actividad de la fuente: del orden de 10^11 decaimientos de tritio por segundo
- Fracción útil: alrededor de uno de cada 10^12 decaimientos cae en la región con información de masa
- Límites alcanzados: por debajo de 1,1 eV (2019), de 0,8 eV (2022) y de 0,45 eV (2025)
- Sensibilidad de diseño: unos 0,2 eV
Por qué el número importa más allá de la física de partículas
Los neutrinos son la segunda partícula más abundante del universo después de los fotones. Incluso una masa en reposo minúscula, multiplicada por esa abundancia, suma una contribución gravitatoria comparable a la de todas las estrellas juntas, de modo que la masa del neutrino es un parámetro de cómo se formó la estructura cósmica.
Las observaciones cosmológicas ya acotan la suma de las masas de los neutrinos, a menudo con más rigor que KATRIN. Pero esos límites valen solo lo que valga el modelo cosmológico dentro del cual se derivan. Una medida de laboratorio que no depende más que de la conservación de la energía aporta un anclaje independiente, y un desacuerdo entre ambas sería interesante antes que embarazoso.
La masa también incide en por qué los neutrinos son tanto más ligeros que cualquier otra partícula masiva: al menos un millón de veces más ligeros que el electrón. Las explicaciones dominantes atan esa ligereza a física a energías muy por encima de cualquier acelerador, así que el valor medido restringe teorías que nadie puede comprobar de forma directa.
Para el contexto más amplio de qué pueden y qué no pueden determinar los experimentos de oscilación, véanse nuestras páginas sobre oscilación de neutrinos y sobre el Modelo Estándar, que en su formulación original trata al neutrino como carente de masa.
Lo que KATRIN no resuelve
No ha medido la masa del neutrino: la ha acotado. Todos los resultados hasta ahora son límites superiores, y sigue siendo posible que la masa quede por debajo del alcance del método, en cuyo caso la respuesta final de KATRIN será un número menor sin detección asociada.
Mide además una masa efectiva, una combinación ponderada de los tres estados de masa, y no ninguno individual, y no dice nada sobre el ordenamiento de esos estados, que es lo que DUNE y otros experimentos de larga distancia están construidos para determinar.
Y no guarda relación con aplicaciones energéticas, algo que conviene decir porque el experimento se cita a veces con ligereza en ese contexto. KATRIN no captura neutrinos ni les extrae nada: observa electrones de una fuente radiactiva y mide una distorsión sutil en su distribución de energía. La pregunta de la investigación neutrinovoltaica, si la radiación ambiental y las fluctuaciones térmicas en la superficie de un material pueden impulsar una corriente medible, no tiene relación con lo que KATRIN mide.
Lo que el experimento sí entrega es un número que restringe la cosmología, la teoría de partículas y la estructura de la materia, obtenido sin confiar en ninguna de ellas. Esa independencia es el sentido entero del diseño.
Preguntas frecuentes
¿Cómo puede KATRIN pesar una partícula que nunca detecta?
Por conservación de la energía. En el decaimiento del tritio la energía liberada se reparte entre un electrón y un antineutrino, así que la energía máxima posible del electrón se reduce en el equivalente energético de la masa en reposo del neutrino. Medir esa diferencia da la masa sin detectar el neutrino.
¿Por qué tritio en concreto?
Porque tiene una energía de decaimiento baja, lo que hace que el efecto de la masa sea una fracción relativamente mayor del espectro, y una vida media corta, que da una tasa alta de decaimientos con poco material. Ambas cosas importan cuando solo uno de cada billón de decaimientos porta información útil.
¿Qué significa aquí independiente del modelo?
Que el resultado se apoya solo en cinemática y conservación de la energía. No supone si el neutrino es su propia antipartícula, a diferencia de las búsquedas de doble decaimiento beta sin neutrinos, ni depende de un modelo cosmológico, a diferencia de los límites derivados del universo temprano.
¿Ha encontrado KATRIN la masa del neutrino?
Todavía no. Ha producido límites superiores cada vez más estrechos, de 1,1 eV en 2019 a menos de 0,45 eV en 2025. Si la masa real queda por debajo del alcance del experimento, el resultado final será un límite y no una medida.
¿Por qué viajó el espectrómetro 8.600 kilómetros para recorrer 400?
Se construyó en Deggendorf, Baviera, y era demasiado grande para cualquier carretera. La única ruta hasta Karlsruhe era por agua: Danubio abajo y rodeando Europa por el mar Negro, el Mediterráneo y el Atlántico hasta el Rin.
