oscilaciones de neutrinos

El neutrón es una partícula que normalmente reside en el núcleo atómico y no desaparece. Pero algunas teorías sugieren que, en ocasiones, podría transformarse en su gemelo invisible: una partícula imposible de detectar con los detectores convencionales.

Los neutrinos son partículas casi esquivas que atraviesan la Tierra sin que esta se entere. Pero a veces uno de ellos choca contra el núcleo atómico del agua, y entonces nace toda una ráfaga de partículas: muones, protones, piones.

Los neutrinos son partículas diminutas que, cada segundo, atraviesan nuestros cuerpos por miles de millones sin tocar ni un solo átomo. Tienen una propiedad misteriosa: en su camino desde el Sol o un acelerador, pueden cambiar de tipo, o "sabor", por ejemplo, de neutrino electrónico a neutrino muónico.

Los neutrinos son partículas diminutas que, cada segundo, atraviesan nuestros cuerpos por miles de millones sin tocar ni un solo átomo. Tienen una propiedad misteriosa: en su camino desde el Sol o un acelerador, pueden cambiar de tipo, o "sabor", por ejemplo, de neutrino electrónico a neutrino muónico.

El universo nos envía señales constantemente, pero muchas son demasiado débiles para percibirlas. Los neutrinos reliquia —partículas que quedaron del Big Bang— atraviesan la Tierra por miles de millones cada segundo, pero atrapar al menos uno es una hazaña al borde de lo posible.

En el centro de una estrella moribunda, cuando su núcleo se comprime en una esfera de neutrones, nace una tormenta invisible. Billones de neutrinos —partículas que casi no interactúan con la materia— se agitan en el plasma ardiente.

En un sistema estelar binario, una estrella arranca materia de su compañera. Durante siglos, esta materia se acumula en la superficie de la estrella de neutrones, un remanente superdenso de una estrella que ha muerto. Este proceso, conocido como acreción, suele desarrollarse de manera gradual.

En lo alto de las montañas, donde el aire es transparente y silencioso, los físicos se preparan para cazar a unos invitados escurridizos del cosmos: los neutrinos. Estas partículas, como fantasmas, atraviesan la Tierra sin apenas dejar rastro. Pero a veces un neutrino choca contra un átomo y genera una lluvia de partículas que puede verse.

En 1998, los físicos sorprendieron a los neutrinos en plena acción: la partícula cambia de tipo sobre la marcha. Esto solo es posible si tiene masa. Se convirtió en la única prueba de laboratorio de física más allá del modelo estándar. Pero cuánto pesa exactamente un neutrino sigue siendo un misterio.

Una estrella masiva agota su combustible y su núcleo colapsa en fracciones de segundo. Nace una supernova y, con ella, una lluvia breve pero intensa de neutrinos. Estas partículas apenas interactúan con la materia, por lo que escapan libremente llevando información sobre la catástrofe.

A 123 pársecs de la Tierra, en la constelación de la Corona Austral, navega la estrella de neutrones RX J1856.5-3754. Su diámetro es de unos 12 kilómetros, menor que una carretera de circunvalación urbana, pero la temperatura de su superficie alcanza los 460 000 kelvin. La estrella emite una exhalación lenta, casi inaudible.

El universo temprano se parecía a un océano que se enfriaba rápidamente. A temperaturas colosales, todo era uno: quarks, electrones, interacciones se fundían en un 'vapor' simétrico. Pero a medida que se expandía y enfriaba, ese vapor se condensaba, y las transiciones de fase se sucedían como el agua que se convierte en hielo.

Una estrella de neutrones es un caldero hirviente del tamaño de una ciudad, pero con una masa de una vez y media la del Sol. En sus profundidades, la materia está tan comprimida que los núcleos atómicos pierden su sentido.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo era una sopa caliente de partículas. Entre ellas flotaban neutrinos superpesados, miles de veces más masivos que sus ligeros hermanos que nos atraviesan hoy. Sus masas eran casi iguales, como tres gemelos, no como transeúntes al azar.

Una bola de billar choca contra otra en la más absoluta oscuridad. El sonido del impacto y el golpe de las bolas al caer en la tronera es todo lo que se oye. Así, más o menos, estudian los físicos las interacciones entre partículas elementales a energías que ningún acelerador terrestre puede reproducir.

Los neutrinos recuerdan a bailarines invisibles que cambian de máscara en pleno salto. Los tres tipos de estas partículas —el neutrino electrónico, el muónico y el tau— se transforman constantemente entre sí. Esta danza se describe mediante una compleja matriz de mezcla, y los físicos llevan tiempo intentando descomponerla en movimientos simples.

Una estrella de neutrones es una ciudad del tamaño de Manhattan que pesa como medio millón de Tierras. Una cucharadita de su materia pesaría más que el Everest. Y ahora, a esta esfera superdensa se le ha añadido algo invisible e inaprensible: partículas de materia oscura. Esto es exactamente lo que hicieron los físicos en una nueva investigación.

Cuando una estrella gigante colapsa en una supernova o dos bolas de neutrones se fusionan en una danza cósmica, billones de neutrinos se llevan la energía del cataclismo.

Las estrellas de neutrones son los últimos grumos de materia visible antes de caer en un agujero negro. En sus entrañas, la materia se comprime hasta densidades de billones de veces. Aquí, las fuerzas nucleares y la gravedad se entrelazan en una sustancia exótica, inaccesible para cualquier acelerador terrestre.

El neutrón es una de las partículas más neutras de la naturaleza. Pero si se añade un parámetro especial a las leyes de la física (llamado término theta del modelo estándar), dentro del neutrón aparece una diminuta asimetría de carga. Un extremo se vuelve ligeramente positivo, el otro ligeramente negativo.

En febrero de 2023, el telescopio submarino KM3NeT, anclado a tres kilómetros de profundidad frente a las costas de Sicilia, registró un destello. Un único muón atravesó el detector, dejando una estela de energía de 220 petaelectronvoltios. Es como si un mosquito en pleno vuelo hubiera atravesado una pared de hormigón.

En los primeros segundos tras el Big Bang, el Universo nos dejó no solo luz, sino algo mucho más esquivo: el fondo cósmico de neutrinos. Este eco de la creación impregna cada centímetro cúbico, pero apenas lo notamos.

La mano invisible de la materia oscura comprime las galaxias en un abrazo gravitatorio, pero su naturaleza ha eludido la comprensión durante casi un siglo.

Las estrellas de neutrones — restos de supernovas — son unos de los objetos más densos del Universo. Su densidad central supera varias veces la nuclear, y su gravedad solo cede ante los agujeros negros.

Durante casi cien años, la sismología fue la radiografía principal del planeta, palpando el interior a través de ondas elásticas. Pero los neutrinos — partículas fantasma, predichas por Wolfgang Pauli — ofrecen una mirada diferente.

Como un carrusel: es más fácil hacer girar uno ligero que uno pesado. Algo similar ocurre con las estrellas de neutrones, los restos superdensos de estrellas que han explotado. Los astrónomos examinaron unas cincuenta sistemas binarias donde una estrella de neutrones orbita alrededor de otra y notaron que cuanto más masiva es la estrella, más largo es su período de rotación.

Una cucharadita de materia de una estrella de neutrones pesa como una montaña. Pero esta montaña podría tener un gemelo invisible. En el interior de una estrella de neutrones, la materia ordinaria está comprimida a densidades inimaginables. Allí, los protones y neutrones pueden disolverse en una sopa de quarks.

La colisión de dos estrellas de neutrones es un laboratorio cósmico donde la materia se comprime hasta densidades inimaginables. En los primeros instantes tras la fusión, se forma una nube ardiente que se enfría emitiendo neutrinos. Estas partículas invisibles se llevan la energía y dictan cuánta materia será expulsada al espacio y qué elementos pesados se sintetizan.

Por una sábana tensa corre un pliegue solitario: un salto abrupto de altura que no se deshace, sino que se mueve como un todo. Los físicos llaman a ese pliegue "kink". Si se tira bruscamente de la sábana en un punto, se propagará una ondulación. Pero en algunos medios, esa ondulación no se dispersa, sino que se agrupa en un bulto y vibra en el mismo lugar durante decenas y cientos de ciclos. Ese bulto es un oscilón.

La cocina cosmológica está llena de ingredientes invisibles. La materia oscura, como un andamiaje invisible, mantiene a las galaxias unidas, mientras que la energía oscura, como la levadura en la masa, hace que el espacio se expanda cada vez más rápido.

En el interior de una estrella de neutrones, el remanente de una estrella que explotó, la materia está tan comprimida que una cucharadita pesa miles de millones de toneladas. Entre esta materia superdensa, quizás actúe un tipo especial de fuerza, una que solo afecta a los neutrinos muónicos y tauónicos.

Dentro de cada célula hay una construcción continua: las moléculas se agrupan y se separan constantemente. A veces forman gotas densas, como aceite en agua, pero sin membrana. Estas gotas funcionan como almacenes temporales: aquí se guardan proteínas, copias de genes o herramientas para reparar el ADN.

El Sol es un reactor nuclear gigante que nos envía luz y calor sin cesar. Pero también tiene otro correo, casi silencioso: cada segundo, decenas de miles de millones de neutrinos —partículas fantasma nacidas en el horno termonuclear— atraviesan un centímetro cuadrado de tu palma. La mayoría no deja ni rastro.

Los detectores de materia oscura son, en esencia, micrófonos de sensibilidad increíble, capaces de oír un susurro en medio del estruendo de un concierto de rock. Su tarea es captar los raros empujones de las hipotéticas partículas de materia oscura que, se cree, chocan ocasionalmente con los núcleos de la materia ordinaria.

Los neutrinos son verdaderos fantasmas del microcosmos. Casi sin masa y sin carga, atraviesan los planetas como si fueran vacío. Pero dentro de cada neutrino no se esconde una partícula, sino tres: tres 'sabores' (electrónico, muónico y tau) que fluyen constantemente uno en otro. Esta danza se llama oscilación.

El Sol no es solo una fuente de luz, sino un laboratorio gigante donde nacen partículas fantasma. Cada segundo, miles de millones de neutrinos atraviesan tu cuerpo sin apenas notarlo. Pero dentro del Sol, estas partículas se comportan de otra manera: cambian de tipo sobre la marcha, como un actor que interpreta tres papeles en una misma obra.

En el corazón ardiente de una estrella moribunda nace un flujo invisible: el gas de neutrinos. Las partículas se precipitan a través de la materia casi sin detenerse, pero cuando su densidad es enorme, comienzan a sentirse entre sí. Los cálculos antiguos describían esto como un empujón en una multitud: cada empujón cambia la dirección, pero no surge conexión entre los transeúntes.

Cuando una estrella masiva muere, su núcleo se contrae y se produce la explosión de una supernova. El cataclismo genera torrentes de partículas, como las ondas al lanzar una piedra. Primero llegan los neutrinos veloces, que atraviesan la Tierra casi sin interactuar. Luego, con horas de retraso, aparecen las partículas fantasma de carga minúscula.

Los neutrinos se comparan a menudo con una transmisión de radio que captan diferentes receptores. Una estación envía la señal, pero las antenas en Japón, la Antártida y el fondo del mar Mediterráneo la escuchan de manera distinta: por la distancia, las interferencias y la orientación de la antena.

Un micrófono ultrasensible no escucha el sonido, sino el temblor del propio espacio. Así funcionan los detectores de ondas gravitacionales: LIGO, Virgo, KAGRA.