El neutrino estéril: el hipotético cuarto neutrino

Qué es un neutrino estéril

Un neutrino estéril es un tipo hipotético de neutrino que no siente ninguna de las tres fuerzas del Modelo Estándar salvo la gravedad. Los neutrinos que conocemos - el electrónico, el muónico y el tauónico, llamados neutrinos «activos» - interaccionan mediante la fuerza nuclear débil, que es lo que permite detectarlos. Un neutrino estéril, en cambio, sería ciego a la fuerza nuclear débil: ningún detector podría capturarlo directamente. Solo delataría su existencia de forma indirecta, alterando el comportamiento de los neutrinos ordinarios.

Técnicamente, la diferencia se expresa en términos de «quiralidad». Los neutrinos activos que observamos son siempre levógiros (y sus antipartículas, dextrógiras). El neutrino estéril correspondería a la componente que falta - un neutrino dextrógiro - , un «singlete» que no se acopla al bosón W ni al Z. Por eso su existencia sería, literalmente, física más allá del Modelo Estándar: la teoría vigente no lo contiene.

La única vía para detectarlo sería a través de la oscilación de neutrinos, el fenómeno por el que un neutrino cambia de tipo mientras viaja. Si existe un cuarto estado, los tres activos podrían «convertirse» parcialmente en él, produciendo desapariciones o apariciones inesperadas de neutrinos. Ese es exactamente el rastro que persiguen los experimentos.

Por qué el Modelo Estándar cuenta solo tres neutrinos

El Modelo Estándar incorpora exactamente tres familias de neutrinos, y hay una razón experimental sólida para ello. En los años noventa, el colisionador LEP del CERN midió con enorme precisión la anchura de desintegración del bosón Z. Cuantos más tipos de neutrinos ligeros existan, más rápido se desintegra el Z de forma «invisible». El resultado fue inequívoco: hay 2,984 ± 0,008 tipos de neutrinos activos ligeros. Tres, ni uno más.

La clave está en la palabra «activos». Esa medida solo cuenta neutrinos que se acoplan al bosón Z. Un neutrino estéril, por definición, no lo hace, de modo que escaparía por completo al recuento de LEP. Ahí reside su atractivo teórico: permite añadir neutrinos nuevos sin contradecir una de las medidas más precisas de la física.

La idea no es nueva. Ya en 1967, Bruno Pontecorvo - el mismo físico que había propuesto la oscilación de neutrinos - especuló con transiciones hacia estados «estériles». Décadas después, los neutrinos dextrógiros pesados se convirtieron en la pieza central del mecanismo del balancín (seesaw), la explicación más elegante de por qué los neutrinos ordinarios tienen una masa diminuta pero no nula, algo que las oscilaciones demostraron que ocurre.

Las anomalías que encendieron la búsqueda: LSND y MiniBooNE

La búsqueda moderna del neutrino estéril arranca con un experimento del Laboratorio Nacional de Los Álamos: el LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector), que tomó datos entre 1993 y 1998. El LSND observó más antineutrinos electrónicos de los esperados en un haz de antineutrinos muónicos, un exceso con una significación cercana a 3,8σ. Para explicarlo mediante oscilaciones hacía falta una diferencia de masas al cuadrado del orden de 1 eV², un valor incompatible con el esquema de tres neutrinos, que exige valores muchísimo menores.

Para comprobarlo, el Fermilab construyó MiniBooNE, que operó desde 2002. A lo largo de casi dos décadas, MiniBooNE acumuló su propio exceso de sucesos a baja energía. Combinado con el de LSND, la anomalía alcanzó una significación superior a 6σ - en principio, un descubrimiento - . El problema es que ambos experimentos no podían distinguir si el exceso procedía de auténticos neutrinos electrónicos o de fotones que los imitaban, una ambigüedad que dejó el resultado en el aire durante años.

El desenlace llegó con MicroBooNE, un detector de argón líquido en el mismo haz del Fermilab, capaz de distinguir electrones de fotones. En octubre de 2021, sus primeros análisis no hallaron ningún indicio del neutrino estéril esperado; los resultados finales, publicados en Nature en diciembre de 2025, descartaron el modelo más simple - un único neutrino estéril de escala eV - con un 95 % de confianza. El exceso de MiniBooNE existe, pero no encaja con esa interpretación sencilla, aunque no cierra las variantes con dos o más estados estériles.

Reactores y galio: las anomalías que aún resisten

No todas las pistas vienen de haces de aceleradores. En 2011, un recálculo de los flujos de antineutrinos de los reactores nucleares reveló que los experimentos cercanos detectaban alrededor de un 6 % menos de lo previsto: la «anomalía de los reactores». Durante años se interpretó como posible desaparición hacia un estado estéril. Sin embargo, medidas posteriores - en especial las de Daya Bay sobre la evolución del combustible - apuntan a que buena parte del déficit se debe a errores en la predicción del flujo, no a nueva física. Consulta la página sobre neutrinos de reactor para el contexto completo.

La anomalía del galio es más tozuda. En los años noventa, los experimentos solares SAGE y GALLEX se calibraron con intensas fuentes radiactivas, y ambos detectaron menos neutrinos electrónicos de los esperados. Para zanjarlo, el experimento ruso BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions) repitió la prueba con una fuente de cromo-51 y, en 2022, volvió a medir un déficit de germanio del orden del 20-24 %, es decir, unas cuentas muy por debajo de lo previsto. Tomada al pie de la letra, esta es la evidencia más fuerte a favor de un neutrino estéril.

El inconveniente es la coherencia global. El mejor ajuste del galio exige una mezcla grande - del orden de sin²2θ ~ 0,3 y una diferencia de masas al cuadrado por encima de 1 eV² - en una región que los experimentos de reactores, los datos de neutrinos solares y el experimento KATRIN excluyen en buena parte. Es decir: el galio grita «estéril», pero el resto del panorama no le da la razón.

Por qué el neutrino estéril ligero está hoy en apuros

La versión más sencilla - un único neutrino estéril de masa en torno al electronvoltio - afronta un cerco cada vez más estrecho. En el frente de los aceleradores y detectores atmosféricos, MINOS+ e IceCube han buscado la desaparición de neutrinos muónicos que ese estado provocaría, sin encontrarla en la región de parámetros favorecida por LSND y MiniBooNE.

El golpe más duro llega de la cosmología. Un neutrino estéril ligero que se hubiera termalizado en el universo temprano se comportaría como una especie relativista adicional, alterando el número efectivo de neutrinos (N_eff) y la abundancia de helio primordial. Las medidas del fondo cósmico de microondas del satélite Planck son compatibles con las tres especies estándar y no dejan sitio holgado para una cuarta plenamente termalizada. Además, la suma de las masas de los neutrinos que infiere la cosmología es tan pequeña que un estado estéril de escala eV la desbordaría.

A esto se añaden los límites directos de laboratorio: KATRIN, que mide la masa del neutrino con enorme precisión a partir de la desintegración beta del tritio, también acota los estados estériles ligeros. El veredicto de consenso hacia 2026 es que el neutrino estéril de escala eV, en su forma más simple, está fuertemente desfavorecido, aunque persisten tensiones sin explicación - como el galio - y modelos más complejos que aún no se descartan del todo.

El neutrino estéril de keV como candidato a materia oscura

Existe una segunda cara del problema, mucho más pesada y potencialmente más fértil. Un neutrino estéril con una masa del orden de los kiloelectronvoltios (miles de veces mayor que la escala eV de las anomalías) sería un excelente candidato a materia oscura templada. Este es el corazón del llamado νMSM (Neutrino Minimal Standard Model), propuesto por Takehiko Asaka y Mijaíl Shaposhnikov en 2005, que con tres neutrinos dextrógiros aspira a explicar de un golpe las masas de los neutrinos, la materia oscura y la asimetría entre materia y antimateria del universo.

Un neutrino estéril de keV sería inestable y se desintegraría muy lentamente, emitiendo de vez en cuando un fotón de rayos X de energía igual a la mitad de su masa. En 2014, dos grupos independientes (liderados por Esra Bulbul y por Alexey Boyarsky) informaron de una débil línea de emisión a unos 3,5 keV en el espectro de rayos X de cúmulos de galaxias, compatible con la desintegración de un estéril de unos 7 keV. La señal desató entusiasmo, pero observaciones posteriores no la confirmaron de forma concluyente y hoy sigue siendo objeto de debate, sin estatus de descubrimiento.

Es importante no confundir ambas hipótesis: el estéril de eV que explicaría LSND o el galio y el estéril de keV que podría ser materia oscura son propuestas distintas, con motivaciones y restricciones diferentes. Ninguna está confirmada.

Estado actual, preguntas abiertas y el contexto de la investigación energética

A día de hoy, el neutrino estéril sigue siendo estrictamente hipotético. Ningún experimento lo ha detectado directamente - por definición, ninguno puede - , y la evidencia indirecta es contradictoria: anomalías robustas como la del galio conviven con exclusiones firmes de la cosmología, los reactores y KATRIN. Las preguntas abiertas son mayúsculas. ¿Explica la anomalía del galio algún efecto sistemático aún no comprendido, o física nueva? ¿Pueden reconciliarse las tensiones con modelos de más de un estéril o con oscilaciones no estándar? ¿Constituye un estéril de keV la materia oscura? Programas como los detectores de línea base corta del Fermilab y futuras medidas cosmológicas seguirán estrechando el cerco.

Conviene situar todo esto dentro de un panorama más amplio. El estudio de las masas y oscilaciones de los neutrinos - el terreno donde vive esta búsqueda - es también el marco científico en el que la Neutrino Energy Group investiga el concepto de neutrinovoltaica: un enfoque en desarrollo, aún no demostrado ni comercializado, que explora la posibilidad de convertir parte de la radiación ambiental - incluidos neutrinos y otras fuentes - en corriente eléctrica mediante materiales de grafeno y silicio. El neutrino estéril, que solo sentiría la gravedad, no tendría papel alguno en ese proceso; su interés aquí es puramente conceptual, como recordatorio de cuánto queda por entender sobre la partícula más abundante y escurridiza del cosmos. Para lo básico, empieza por qué es un neutrino.