Científicos han logrado medir por primera vez el tamaño del neutrino, una de las partículas más misteriosas del universo, y para su sorpresa es mucho más grande de lo que se pensaba. Este avance podría revolucionar nuestra comprensión de la física cuántica y los procesos fundamentales del cosmos.

Por Enrique Coperías

Un equipo internacional de científicos ha dado un importante paso hacia la comprensión de los neutrinos, unas partículas subatómicas que, a pesar de ser fundamentales para la física, siguen siendo uno de los grandes misterios del universo.

Los neutrinos son extremadamente ligeros y apenas interactúan con la materia, lo que los convierte en partículas difíciles de detectar. De hecho, hasta ahora, la información sobre el tamaño de los neutrinos se había basado en estimaciones indirectas, con cálculos que variaban en un rango impresionante de ¡trece órdenes de magnitud!, desde menos que el tamaño de un núcleo atómico hasta varios metros, lo que representa una diferencia de miles de billones de veces.

Este misterio sobre el tamaño del neutrino ha sido resuelto en parte gracias al trabajo de Joseph Smolsky y Kyle G. Leach y sus equipos de la Universidad de Colorado y de la Universidad Estatal de Míchigan, en Estados Unidos. Al frente de un equipo internacional de físicos, han realizado la primera medición directa del tamaño del paquete de ondas de un neutrino.

Como una «ola»

Hay que decir que el paquete de ondas de un neutrino es una representación cuántica de la partícula que describe la probabilidad de encontrarla en diferentes lugares del espacio en un momento dado, o sea, la región en la que es probable toparse la partícula. En lugar de ser una partícula puntual, como se piensa clásicamente, el neutrino se comporta como una onda que se extiende en el espacio.

La extensión de esta onda está determinada por su tamaño o su incertidumbre en la posición, y su forma está relacionada con su energía y momento. Esta extensión espacial se describe mediante el paquete de ondas, que, en el caso de los neutrinos, es difícil de medir debido a su débil interacción con la materia.

Utilizando una innovadora técnica, el equipo de físicos ha logrado medir con precisión la descomposición radiactiva del berilio-7, un isótopo que, al desintegrarse, emite un neutrino y un átomo de litio-7 que se desplaza en dirección opuesta para conservar el momento. Los investigadores colocaron el berilio-7 dentro de sensores superconductores de alta precisión y estudiaron la desintegración utilizando un acelerador de partículas.

Cientos de veces más grande que un núcleo atómico

Esta medición permitió a los científicos inferir las propiedades del neutrino con una precisión sin precedentes.

El resultado fue sorprendente: el neutrino tiene al menos un tamaño de 6,2 picómetros; un picómetro (pm) es una unidad de medida de longitud equivalente a la billonésima parte de un metro (0,000000000001 m). O sea, que es cientos de veces más grande que un núcleo atómico.

Este hallazgo contradice algunas expectativas, ya que se pensaba que el neutrino debía ser mucho más pequeño, dado que se asocia al proceso de captura electrónica en el interior del núcleo atómico. Sin embargo, los resultados obtenidos sugieren que el neutrino es significativamente más grande de lo que se imaginaba, incluso en comparación con el propio núcleo que lo produce.

Este descubrimiento es importante por varias razones. En primer lugar, ayuda a aclarar las características fundamentales de los neutrinos, que son clave para entender fenómenos en física de partículas y astrofísica. El estudio de los neutrinos podría aportar respuestas a algunas de las grandes preguntas de la ciencia, como el origen de la materia en el universo, ya que juegan un papel central en los procesos que han permitido la existencia de más materia que antimateria en el cosmos.

Tres tipos de neutrinos

Además, la medición del tamaño de los neutrinos tiene implicaciones directas en la construcción de futuros detectores de neutrinos. Estos detectores son esenciales para estudiar las oscilaciones de estas partículas subatómicas, un fenómeno en el que los neutrinos cambian de tipo mientras viajan a través del espacio.

Recordemos que existen tres tipos de neutrinos: el neutrino electrónico (νe\nu_eνe), el neutrino muónico (νμ\nu_\muνμ) y el neutrino tauónico (ντ\nu_\tauντ). Estos corresponden a las tres familias de partículas en el modelo estándar de física de partículas, y cada tipo de neutrino está asociado con una de las partículas cargadas correspondientes: el electrón, el muón y el tau.

Volviendo a las oscilaciones neutrínicas, estas son cruciales para comprender la naturaleza del neutrino, su masa y cómo se comporta.

*El laboratorio IceCube, un telescopio de neutrinos situado en la estación Amundsen-Scott del Polo Sur. Cortesía: IceCube/NSF*

Lo bueno de que los neutrinos sean más grandes

Sin embargo, para poder medir las oscilaciones de neutrinos con precisión, es necesario que estos sean lo suficientemente grandes, de modo que sus diferentes tipos no se desborden fuera de sus paquetes de ondas, ya que dificultaría las mediciones. Por lo tanto, el descubrimiento de que los neutrinos son más grandes de lo que se pensaba podría permitir mediciones más precisas de estos fenómenos y abrir nuevas puertas en la física de partículas.

El avance también tiene implicaciones más amplias en la teoría cuántica, que describe el comportamiento de las partículas subatómicas. A diferencia de la física clásica, la cuántica establece que las partículas pueden existir en varios estados a la vez, y que su posición y velocidad no pueden ser conocidas con precisión simultáneamente, debido al principio de incertidumbre.

Así es. Según el principio de incertidumbre de Heisenberg, no es posible conocer simultáneamente con precisión la posición y el momento de una partícula. En el caso del neutrino, los científicos midieron con precisión el momento (o energía) del átomo de litio-7 que se movió con la desintegración del berilio-7, lo que les permitió calcular la incertidumbre en la posición del neutrino.

Búsqueda de partículas más allá del modelo estándar

Este enfoque innovador ha permitido establecer un límite inferior para el tamaño de esta partícula subatómica sin necesidad de suposiciones adicionales sobre su naturaleza.

Este descubrimiento también puede tener impacto en la búsqueda de partículas más allá del modelo estándar de la física de partículas. En particular, los neutrinos estériles, una posible extensión de los neutrinos convencionales que no interactúan a través de ninguna de las interacciones fundamentales del modelo estándar, excepto la gravedad, podrían ayudar a explicar algunas anomalías observadas en experimentos previos.

Por ejemplo, la conocida como anomalía del galio, que se refiere a una discrepancia entre los resultados esperados y los medidos en ciertos experimentos de captura electrónica, podría estar relacionada con la forma en que los neutrinos interactúan en estos experimentos.

Sensores cercanos al cero absoluto

Los resultados de este estudio, que ha sido publicado en la revista Nature, también podrían aportar nuevos datos para resolver ciertas tensiones en la teoría actual sobre los neutrinos, especialmente en lo que respecta a la interpretación de los datos experimentales relacionados con los citados neutrinos estériles.

Este variedad de neutrino, si existe, podría ser responsables de algunas de las anomalías observadas, y comprender mejor su tamaño y propiedades podría ayudar a resolver estos enigmas.

Para lograr esta medición precisa, los investigadores utilizaron un tipo de sensor llamado unión túnel superconductora (STJ, por sus siglas en inglés), que es capaz de detectar energía con una exactitud extraordinaria. Estos sensores funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto (273,15 grados Celsius bajo cero), lo que les permite captar señales extremadamente débiles, como las que provienen de la desintegración de partículas tan pequeñas como los neutrinos.

Este tipo de tecnología tiene un enorme potencial para aplicaciones futuras, no solo en la física de neutrinos, sino también en el desarrollo de nuevas tecnologías para la detección de partículas y el estudio de fenómenos cuánticos que aún se resisten a la ciencia.

No cabe duda de que el estudio internacional liderado por Smolsky y Leach, que establece el tamaño del neutrino en al menos 6,2 picómetros, no solo ha dado respuesta a una de las preguntas más persistentes en la física de partículas, sino que también abre nuevas posibilidades para la investigación futura en la física de partículas, la astrofísica y la cosmología. Los científicos esperan que, con mejoras en la tecnología de medición y el análisis, puedan obtener información aún más precisa sobre los neutrinos y su papel en el universo.▪️

Fuente: Smolsky, J., Leach, K.G., Abells, R. et al. Direct experimental constraints on the spatial extent of a neutrino wavepacket. Nature (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08479-6

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