Como ya hemos discutido en la entrada El Modelo Estándar: Los bloques fundamentales del Universo, el Modelo Estándar es la teoría que mejor describe el mundo de las partículas y sus interacciones. Este modelo contiene unas partículas muy particulares conocidas como neutrinos que han sido de gran interés para la física de partículas, la astrofísica y la cosmología. Los neutrinos son partículas fundamentales neutras que pertenecen a la familia de leptones en el Modelo Estándar.
Existen tres tipos diferentes, o “sabores” de neutrinos: el neutrino electrónico asociado al electrón, el neutrino muónico asociado al muón y el neutrino tauónico asociado al tauón. Sin embargo, las características de los neutrinos requieren una descripción más detallada y compleja que una simple clasificación de sabores. La razón principal es que estas partículas se comportan de forma muy inusual: Los neutrinos cambian de sabor cuando viajan a través del espacio. A este cambio se le conoce como oscilación de neutrinos y está directamente vinculado a su masa. El concepto de oscilación de neutrinos no es algo fácil de explicar en palabras sencillas. Sin embargo, el propósito de este Blog es intentar entender cómo funciona sin necesidad de conocimientos matemáticos avanzados.
Pero, ¿cómo es que los neutrinos oscilan? ¿Por qué? Los físicos de partículas responden a este tipo de preguntas diciendo: Oscilan porque tienen masa. Sin embargo, con esta respuesta surge otra pregunta, ¿por qué esta propiedad les permite oscilar? Empecemos con el concepto fundamental: El sabor de los neutrinos. Para esto, es necesario entender cómo se manifiestan los neutrinos en la naturaleza; existen dos formas diferentes de describir a los neutrinos: 1) Los estados “observables”. Estos estados corresponden al sabor y son los que se detectan u observan en los experimentos. 2) Los estados “no observables”. Generalmente, se conocen como estados de masa 1, 2 y 3. Las combinaciones de estos tres estados de masa dan origen al estado observable o de sabor.
Para visualizar estos estados de los neutrinos, imaginemos que son helados con tres sabores diferentes: fresa, vainilla y chocolate. Estos representan el producto final, es decir, lo que la persona que compra un helado elegiría en la heladería (ver Figura 1). En principio, los helados de fresa, vainilla y chocolate contienen los mismos tres ingredientes: ingrediente 1, ingrediente 2 e ingrediente 3. La diferencia en el sabor final radica en que, para cada variedad, estos ingredientes están mezclados en proporciones distintas (ver Figura 2). Por ejemplo, podría ser que el helado de fresa tenga más del ingrediente 2 que de los ingredientes 1 y 3 y que el helado de vainilla tenga más del ingrediente 1 que del 2 y 3, etc. Así es como funciona la relación entre los estados de sabor y masa de los neutrinos. Ambos describen lo mismo de manera fundamental, pero dependiendo de cuál estado predomine sobre el otro, se obtendrá un resultado (sabor) diferente.
Con esta característica de los neutrinos en mente, avancemos al siguiente concepto: la oscilación. Siguiendo con el ejemplo de los helados de sabores, donde cada ingrediente utilizado para crear los helados de fresa, vainilla o chocolate son ingredientes fijos, en su proporción, en la receta para crear cada uno de los sabores. Pero ahora, para hacerlo un poco más divertido, consideremos la posibilidad de que estos tres ingredientes sean «mágicos» y que, con el paso del tiempo, cambien sus proporciones en la receta. Es decir, aunque inicialmente tengamos helado de fresa en el recipiente uno, de vainilla en el dos y de chocolate en el tres, esto no será permanente. Con el tiempo, los ingredientes mágicos 1, 2 y 3 cambiarán sus proporciones, transformando así el helado de fresa en helado de chocolate, y lo mismo sucederá con el resto de los sabores.
De manera intuitiva, esto es lo que sucede con los neutrinos. Imagina un neutrino electrónico que se produce en el núcleo del Sol y viaja hacia la Tierra. Al llegar a los detectores, puede manifestarse con un sabor diferente, por ejemplo, muón. Aquí es donde entra en juego la naturaleza cuántica de los neutrinos, que corresponde a esa “magia” que los helados necesitan para cambiar de sabor. La oscilación de neutrinos es un fenómeno cuántico, y la naturaleza cuántica de los neutrinos es lo que les permite experimentar este cambio de sabor a medida que viajan. Dado que el sabor es una combinación de los tres posibles estados de masa, el neutrino puede cambiar de sabor debido a que la probabilidad de que un estado de masa predomine sobre otro varía. Esta probabilidad está influenciada por la distancia o el tiempo que el neutrino ha estado viajando de un punto a otro.
Al inicio los físicos creían que no había oscilaciones, puesto que en el marco teórico del Modelo Estándar, los neutrinos no tienen una interacción directa con el campo de Higgs, y por lo tanto no poseen una masa. En otras palabras, ¡los neutrinos no deberían oscilar! Sin embargo, los experimentos demostraron lo contrario: ¡los neutrinos oscilan! Este descubrimiento otorgó el Premio Nobel a Takaaki Kajita y Arthur McDonald en el año 2015. Desde su descubrimiento la oscilación de los neutrinos ha recibido un interés especial ya que esta capacidad de cambiar de sabor a medida que viajan a través del espacio es un fenómeno único en el mundo de las partículas fundamentales. La intrigante propiedad de oscilación de los neutrinos se origina en su naturaleza masiva y en la forma en que los neutrinos se manifiestan como combinaciones de distintos estados de masa. Si los neutrinos no tuvieran masa, esta interesante oscilación se anularía ya que el término de masa en las expresiones matemáticas que describen a los neutrinos, son los términos encargados de mezclar los diferentes tipos de estados de masa, 1, 2 y 3. Por lo tanto, estas partículas tan singulares ofrecen una ventana muy importante para la exploración de nuevos aspectos de la física, dado que se requiere la introducción de nuevos mecanismos para explicar el origen de su masa, yendo más allá del mecanismo del Higgs.
En términos más simples, si los neutrinos no tuvieran masa, sería como tener helado de fresa solo con el ingrediente 1, helado de vainilla solo con el ingrediente 2 y helado de chocolate solo con el ingrediente 3. Así que, ¿de qué sabor quieres tu neutrino? ¡Fresa, vainilla o chocolate cuántico!
Agradecimientos
El autor expresa su agradecimiento a Campos Cuánticos y a Francisco López por su invaluable colaboración en la mejora del contenido y la organización de este blog, que tomó forma a las 5 de la mañana a partir de un sueño.
¿Quieres saber más?
Giunti, C. & Kim, C. W. (2007), «Fundamentals of Neutrino Physics and Astrophysics«, Oxford University Press.
Mohapatra, R. N. & Pal, P. B. (2004), «Massive neutrinos in physics and astrophysics«, World Scientific Lecture Notes in Physics, 72: 476.
Kruppke, D. (2007), «On Theories of Neutrino Oscillations A Summary and Characterisation of the Problematic Aspects«.
Halzen, F. & Martin, A. (1984), «Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics«, John Wiley Sons, p. 416.
