South Pole Telescope / Amble
Una nueva medida del eco del Big Bang coloca a un experimento español en buen lugar para intentar averiguar si el neutrino fue la partícula que determinó la victoria de la materia sobre la antimateria
Hace 13.000 millones de años, durante los primeros instantes de existencia del universo, tuvo lugar una batalla a muerte entre dos ejércitos descomunales. De un lado, la materia, los precursores de las partículas que hoy conforman las estrellas, los planetas o a nuestros amantes. En el otro bando, la antimateria, partículas idénticas con carga opuesta que hacen honor a su nombre. Cada vez que una partícula chocaba con su antipartícula, ambas se desintegraban en un estallido radiactivo.
Los cosmólogos saben que las fuerzas estaban igualadas hasta el extremo. Sus modelos muestran que del gran estallido inicial surgió la misma cantidad de materia que de antimateria, una situación nefasta para un universo como el que hoy conocemos. De haberse mantenido la igualdad, las partículas de materia habrían seguido chocando con sus némesis, desprendiendo radiación y haciendo imposible la formación de galaxias o mundos como el que habitamos.
Sin embargo, algo desequilibró la pelea y, poco a poco, la materia ganó terreno y aniquiló a la antimateria. Aún no se sabe cómo ocurrió, pero los científicos creen que la clave puede estar en el neutrino, una partícula con una masa tan diminuta que hasta hace poco más de una década se consideraba inexistente y tan poco dada a interactuar con el resto de la materia que podría atravesar un bloque de plomo de más de un año luz de grosor. En algún momento del enfrentamiento, la diferente forma de interactuar del neutrino con materia y antimateria decidió el desenlace de aquel conflicto primigenio.
Si las teorías cosmológicas más aceptadas tienen razón, el neutrino sería una especie de superhéroe que salva al mundo pero no quiere figurar. La curiosidad de los científicos, sin embargo, no va a permitir que el elemento fundamental en la guerra del Big Bang quede en el anonimato. De momento, se ha planteado que los neutrinos decisivos fueron unos parientes pesados de los que hoy conocemos que existían en los primeros momentos tras el gran estallido. Su desintegración se produciría dejando tras de sí solo materia, rompiendo así el estricto equilibrio inicial.
Para comprobar esta hipótesis, los investigadores están buscando uno de los sucesos radiactivos más extraños que existen, la desintegración doble beta sin neutrinos. Si se encontrase, además de poder determinar la masa del neutrino, significaría que es su propia antipartícula y pudo desempeñar el papel esencial que se le atribuye en la supervivencia de la materia. Científicos de todo el mundo han diseñado experimentos con los que tratar de observar ese raro fenómeno. En España, un equipo dirigido por el físico del IFIC (UV/CSIC) Juan José Gómez Cadenas ha construido NEXT, un detector que incluirá una cámara de 100 kilos de xenón-136 y se instalará en elLaboratorio Subterráneo de Canfranc. Este gas es inerte y centellea, dos características que permiten que las partículas cargadas que surjan de una posible desintegración doble beta sin neutrinos puedan atravesar el detector dejando una estela que permita reconstruir después qué fenómeno se ha producido.
Las dificultades de esta búsqueda, con resultados que serían tan relevantes para la física como la detección del bosón de Higgs, serían casi insuperables si la masa de los neutrinos estuviese cerca del cero. Ahora, un nuevo artículo publicado en ArXiv por Gómez Cadenas junto a los investigadores del IFIC Justo Martín-Albo, Javier Muñoz y Carlos Peña ofrece buenas noticias para NEXT y para otros experimentos que buscan la rara desintegración doble beta. En su estudio, que trata de poner unos límites máximos y mínimos a la masa del neutrino para saber mejor dónde buscarlo, los investigadores han tomado información sobre el fondo cósmico de microondas obtenido por el South Pole Telescope (SPT), un instrumento instalado en la Antártida.
Esa radiación de fondo, una especie de eco del Big Bang que permea todo el espacio, es muy útil para conocer la estructura del universo y, en definitiva, la composición de la realidad. Por ese motivo, grandes telescopios espaciales como WMAP, de la NASA, y ahora Planck, de la Agencia Espacial Europea (ESA), lo han observado. “Lo que se ha encontrado es que las mediciones del SPT y las de los satélites no encajan con el modelo cosmológico Lambda-CDM, un modelo que explica muy bien cómo funciona el universo”, explica Carlos Peña. “Ahora, para ver cómo se puede extender el modelo para que cuadren los nuevos datos, una de las opciones más razonables es incluir la masa de los neutrinos dentro de unas variables determinadas. Cuando hacemos eso, todo ajusta mejor”, añade.
“El análisis de los datos nos decía que la desintegración doble beta se podía medir en masas del neutrino de entre 500 milielectronvoltios y cero”, afirma Martín-Albo. “Llegar hasta cero era prácticamente imposible desde un punto de vista experimental porque, al tratarse de un fenómeno tan raro, hacen falta muchos núcleos que puedan desintegrarse de esta manera particular y eso implica grandes volúmenes de xenón, en el caso de experimentos como NEXT”, señala. Un detector capaz de capturar una desintegración doble beta sin neutrinos si el neutrino tiene una masa muy cercana a cero requeriría cien toneladas de xenón, algo que, a unos 10.000 euros el kilo, encarecería los experimentos hasta niveles imposibles. Si la hipótesis planteada en su artículo se confirma, se pondría un límite inferior a la masa del neutrino en 20 milielectronvoltios, un límite que se podría alcanzar con la siguiente generación de experimentos de unas pocas toneladas de xenón.
Física más allá del bosón de Higgs
Según la estimación obtenida por los investigadores del IFIC, el rango de masas del neutrino se encontraría entre los 20 y los 150 electronvoltios. Eso tiene dos consecuencias. En primer lugar hace que NEXT, con sus 100 kilos de xenón, tenga posibilidades de llegar a observar una desintegración doble beta sin neutrinos si la masa de esta partícula supera los 80 milielectronvoltios. Si no fuese así, la segunda conclusión positiva del estudio es que, con la siguiente generación de detectores de una tonelada de xenón, sería posible explorar todo el espacio restante hasta la masa mínima del neutrino. De esta manera, se comprobaría que el neutrino es su propia antipartícula (lo que se conoce como una partícula de Majorana) o, en un caso que sería aún más sorprendente, que no lo es (sería entonces una partícula de Dirac). En ambos casos, supondría un avance para la física más allá del Modelo Estándar, el marco teórico que mejor explica el funcionamiento de la materia y que se completó con el descubrimiento del bosón de Higgs.
Algunos de los responsables de otros experimentos implicados en la búsqueda de la desintegración doble beta sin neutrinos no comparten el optimismo de los investigadores españoles. “Mi sensación es que los autores exageran los resultados de la observación del fondo cósmico”, opina Giorgio Gratta, profesor de la Universidad de Standford y portavoz de EXO 200, un experimento con 200 kilos de xenón líquido (NEXT utiliza xenón en estado gaseoso) que lleva ya más de un año funcionando en un vertedero radiactivo de Nuevo México, en EEUU. “0,32+-11 (el valor para la masa del neutrino propuesto por el equipo español) es un valor central distinto de cero, pero incluso esos datos son compatibles con una masa muy pequeña o que sea incluso 0″, añade. “Así que por supuesto sigo esperando que veremos una desintegración sin neutrinos, pero personalmente el artículo no cambia mi juicio sobre la probabilidad de que eso suceda”, indica.
Sobre las mejores posibilidades de NEXT, que Martín-Albo justifica en una mayor sensibilidad de este experimento, Gratta considera que “las proyecciones de la gente de NEXT son bastante extrañas”. “Básicamente, ellos eligen las peores circunstancias para el resto de experimentos y las mejores para el suyo. Además, tanto EXO-200 como KamLAND-ZEN ya están funcionando y tienen ya más de un año de datos en su poder”, explica. En este sentido, Gómez-Cadenas defiende que los datos que su equipo utiliza en su artículo son los ofrecidos por los propios experimentos mencionados.
Por su parte, el director de KamLAND-ZEN, Kunio Inoue, cree que los resultados obtenidos sobre la masa del neutrino son alentadores y cree que la importancia de NEXT es creciente. No obstante, piensa que “probablemente NEXT no competirá con otros por lograr realizar el primer descubrimiento”. El científico japonés considera que este hallazgo, que tiene la entidad suficiente como para proporcionar el premio Nobel a quien lo logre, llegará de “otros experimentos mayores ya en funcionamiento y que encontrarán una señal positiva antes”, en referencia a EXO o KamLAND-ZEN. “En cualquier caso”, concluye Inoue, “NEXT puede añadir información importante y esa información es indispensable para comprender la física tras la desintegración doble beta sin neutrinos”.
Pese a las dudas expresadas por los responsables de estos grandes experimentos, el equipo español mantiene su confianza en las posibilidades de conseguir un descubrimiento. Francesc Monrabal, otro de los miembros del equipo de NEXT, considera que solo un experimento que utilice xenón en estado gaseoso puede alcanzar los niveles de resolución necesarios para alcanzar las masas del neutrino que sugieren las observaciones cosmológicas. Además, en opinión del investigador español, solo esta tecnología ofrecería la capacidad para distinguir con claridad una señal de una desintegración doble beta sin neutrinos de otra que sea simplemente ruido. “Puesto que el único experimento de xenón gaseoso del mundo está liderado por investigadores e instituciones españolas estamos ante una situación única para quitarnos los complejos y demostrar que también sabemos jugar a esto”, asevera.
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