La masa del neutrino: la cifra que la física aún no logra fijar
La física conoce la masa de todas las partículas fundamentales que ha encontrado, normalmente con varios decimales. Hay una excepción. Veinticinco años después de que quedara claro que los neutrinos pesan algo, nadie puede decir cuánto pesa ninguno de ellos. Sabemos que uno es más pesado que otro en una cantidad concreta. No sabemos dónde empieza la escalera. Ese hueco no es una nota al pie: está en el centro de varias preguntas abiertas sobre por qué la materia existe en la forma en que existe.
Por qué la oscilación no puede dar una masa
Un neutrino no tiene una única masa bien definida. Existe como superposición de tres estados de masa, y lo que un experimento detecta como neutrino electrónico, muónico o tauónico es una mezcla concreta de esos tres. Mientras la mezcla viaja, las componentes acumulan fase cuántica a ritmos ligeramente distintos y la identidad del conjunto cambia. Eso es la oscilación de neutrinos.
El ritmo al que las fases se separan depende de la diferencia entre las masas al cuadrado de los estados implicados, no de las masas mismas. Un experimento que mide oscilación mide, por tanto, una diferencia, y es completamente ciego a lo que habría que sumar a ambos estados para obtener sus valores reales.
Se han medido dos de esas diferencias. La menor, procedente de experimentos solares y de reactor, ronda 7,5 por 10^-5 electronvoltios al cuadrado. La mayor, de experimentos atmosféricos y de acelerador, unos 2,5 por 10^-3. Ambas se conocen con precisión de pocos por ciento.
De ahí se extrae una cota inferior. Si el estado más ligero no pesara nada, el más pesado tendría aun así que pesar la raíz cuadrada de la diferencia mayor, alrededor de 0,05 electronvoltios. La escala de masas tiene, pues, un suelo. Techo, a partir de datos de oscilación, no tiene ninguno.
Tres formas de atacar la escala
La primera vía es cinemática y la única que no supone nada más allá de la conservación de la energía. En el decaimiento beta la energía liberada se reparte entre un electrón y un antineutrino, así que la energía máxima posible del electrón se reduce en la masa en reposo del neutrino. KATRIN mide esa diferencia en el decaimiento del tritio y ha bajado el límite superior por debajo de 0,45 electronvoltios. Mide una combinación efectiva de los tres estados, ponderada por cuánto neutrino electrónico contiene cada uno.
La segunda vía es el doble decaimiento beta sin neutrinos. Si el neutrino es su propia antipartícula, se hace posible un decaimiento nuclear raro en el que dos neutrones se convierten en dos protones y emiten dos electrones pero ningún neutrino. La tasa depende de otra combinación ponderada de las masas. Esta vía es más sensible que la cinemática, pero solo funciona si el neutrino tiene un carácter concreto, de modo que un resultado nulo es ambiguo.
La tercera vía es cosmológica. Los neutrinos son la segunda partícula más abundante del universo, así que incluso una masa minúscula afecta a cómo se formó la estructura cósmica: los neutrinos masivos escapan de las estructuras en formación y las suavizan. Las observaciones del fondo cósmico de microondas y los catálogos de galaxias acotan hoy la suma de las tres masas en torno a 0,12 electronvoltios, más estricto que los límites de laboratorio. Pero esa cifra se deriva dentro de un modelo cosmológico y se desplaza cuando el modelo cambia.
Los tres métodos miden tres magnitudes distintas: una masa cinemática efectiva, una masa de Majorana efectiva y una suma. No son intercambiables, y compararlas es en sí una prueba de la física subyacente.
El problema del ordenamiento
Las dos diferencias medidas nos dicen que dos estados están próximos y uno queda aparte. Lo que no dicen es si el estado solitario está por encima o por debajo del par. El primer caso se llama ordenamiento normal; el segundo, invertido.
No es un detalle. Las dos disposiciones predicen tasas medibles distintas para el doble decaimiento beta sin neutrinos, firmas cosmológicas distintas y perspectivas distintas para cualquier experimento futuro. Mientras no se resuelva, toda una clase de resultados debe citarse por duplicado.
Dos experimentos lo abordan por métodos sin relación entre sí. DUNE usará el modo en que la materia terrestre distorsiona la oscilación a lo largo de 1.300 kilómetros, y JUNO leerá un patrón de interferencia en vacío a 52 kilómetros, donde los efectos de materia desaparecen. Los datos actuales ya favorecen el ordenamiento normal, pero no a un nivel que nadie dé por zanjado.
La respuesta importa sobre todo para la segunda vía anterior. Con ordenamiento invertido, el doble decaimiento beta sin neutrinos tendría una tasa al alcance de la próxima generación de experimentos. Con ordenamiento normal y un estado más ligero muy liviano, podría quedar muy por debajo de todo lo planeado.
Por qué la pequeñez es un enigma real
En el Modelo Estándar tal como se escribió, los neutrinos carecen exactamente de masa. No fue un accidente de ajuste a los datos. El modelo da masa a las partículas mediante su interacción con el campo de Higgs, y ese mecanismo exige una versión izquierda y otra derecha de la partícula. Todo fermión cargado tiene ambas. El neutrino, tal como se construyó el modelo, solo tiene la izquierda, así que no hay nada a lo que el campo de Higgs pueda acoplarse.
La oscilación rompió eso. La reparación más simple es añadir un neutrino derecho y darle un acoplamiento de Higgs como a los demás, pero entonces la intensidad del acoplamiento debe rondar 10^-12, aproximadamente un millón de veces menor que la del electrón, sin explicación de por qué.
La alternativa es que la masa del neutrino provenga de un mecanismo distinto, disponible solo para una partícula eléctricamente neutra. En esa imagen la minúscula masa observada es la imagen inversa de una escala de masas enorme, muy por encima de cualquier acelerador, y la pequeñez deja de ser arbitraria. Ese es el razonamiento tras la familia de modelos de balancín, y una de las razones principales de que la masa del neutrino se trate como una ventana a física a energías inalcanzables.
Qué explicación es correcta depende de si el neutrino es su propia antipartícula, y esa pregunta hoy solo puede responderse mediante el doble decaimiento beta sin neutrinos.
Lo que la cifra no dice
La masa del neutrino se invoca a veces en debates sobre energía, con el razonamiento de que masa implica energía extraíble por la relación masa-energía. Esa inferencia no sobrevive al contacto con las cifras.
Un neutrino de 0,1 electronvoltios porta una energía en reposo de 0,1 electronvoltios, es decir unos 1,6 por 10^-20 julios. Incluso el flujo solar completo, de unos 65.000 millones de neutrinos por centímetro cuadrado y segundo, supone una densidad de potencia despreciable, y eso antes de tener en cuenta que prácticamente ninguno interactúa. La masa no es un recurso almacenado; es un parámetro del comportamiento de la partícula.
La restricción determinante sigue siendo la probabilidad de interacción, que es lo que todo detector de estas páginas existe para superar. La investigación neutrinovoltaica aborda una pregunta totalmente distinta -si la radiación ambiental y las fluctuaciones térmicas en la superficie de un material diseñado pueden impulsar una corriente medible- y el valor de la masa del neutrino no incide en ella en ningún sentido.
Lo que la masa sí determina es la cosmología, la estructura del sector leptónico y si las explicaciones dominantes de la asimetría materia-antimateria pueden funcionar. Esas son las razones por las que tres programas experimentales distintos persiguen una cifra menor que una millonésima de la masa del electrón.
Preguntas frecuentes
¿Sabemos que los neutrinos tienen masa?
Sí. La oscilación lo exige, y se ha observado oscilación con neutrinos solares, atmosféricos, de reactor y de acelerador en experimentos independientes. Al menos dos de los tres estados de masa son distintos de cero.
¿Por qué los experimentos de oscilación no dan la masa real?
Porque la tasa de oscilación depende de diferencias entre masas al cuadrado, no de las masas mismas. Sumar la misma cantidad a los tres estados deja inalterada cualquier predicción de oscilación.
¿Cuál es el mejor límite actual?
La medida cinemática directa da menos de unos 0,45 eV, y la cosmología unos 0,12 eV para la suma de los tres, aunque esa cifra depende del modelo en que se deriva. El suelo procedente de la oscilación es de unos 0,05 eV para el estado más pesado.
¿Por qué se considera un problema una masa tan pequeña?
Porque el mecanismo de masa del Modelo Estándar exigiría un acoplamiento un millón de veces más débil que el del electrón, sin nada que explique por qué. Las explicaciones alternativas atan esa pequeñez a física a energías muy por encima de cualquier acelerador.
¿Significa la masa del neutrino que los neutrinos portan energía aprovechable?
No. Una masa en reposo de 0,1 eV equivale a unos 1,6 por 10^-20 julios, y prácticamente nada del flujo interactúa con nada. La masa es un parámetro del comportamiento de la partícula, no un recurso almacenado.
