Oscilaciones de neutrinos

Oscilación de neutrinos es el notable fenómeno en el que un neutrino cambia de tipo o "sabor" a medida que viaja por el espacio. El descubrimiento de este efecto demostró que los neutrinos, entre los más ligeros y esquivos partículas conocido: tienen una masa pequeña pero distinta de cero, lo que revoca una suposición de larga data y le valió el Premio Nobel de Física de 2015.

Tres sabores de una partícula fantasmal

Los neutrinos vienen en tres tipos: electrones, muones y tau, cada uno asociado con una pareja cargada. Interactúan sólo a través de la fuerza nuclear débil y la gravedad, por lo que atraviesan la materia ordinaria casi sin ser molestados: billones fluyen a través de su cuerpo cada segundo. Debido a que apenas interactúan, son extraordinariamente difíciles de detectar, razón por la cual su extraño comportamiento tardó décadas en descubrirse.

El problema de los neutrinos solares

La primera pista vino del Sol. La fusión nuclear en el núcleo del Sol produce una avalancha de neutrinos electrónicos, pero los experimentos realizados desde la década de 1960 en adelante detectaron consistentemente sólo entre un tercio y la mitad del número esperado. Este "problema de los neutrinos solares" desconcertó a los físicos durante décadas. La resolución, confirmada por los experimentos Super-Kamiokande y SNO alrededor del año 2000, fue que los neutrinos desaparecidos no habían desaparecido: habían desaparecido cambio de sabor En el camino a la Tierra, se escaparon detectores sintonizados solo para neutrinos electrónicos.

Por qué la oscilación requiere masa

La oscilación funciona porque los sabores que mide un experimento no son los mismos que los estados de masa definida en los que viaja un neutrino. Cada sabor es una mezcla cuántica de estados de masa, y debido a que esos estados tienen masas ligeramente diferentes, se desfasan ligeramente a medida que el neutrino se propaga, como dos diapasones de tono casi igual entrando y saliendo de fase. Esta interferencia convierte periódicamente un sabor en otro. Fundamentalmente, esto sólo puede suceder si los estados de masa difieren, lo que significa que al menos algunos neutrinos deben tener masa. La cantidad de oscilación revela las diferencias entre las masas, aunque no las masas mismas.

Un error común

El neutrino no se transforma físicamente en una partícula diferente en pleno vuelo de manera desordenada. La oscilación es un efecto de interferencia cuántica suave y predecible, regido por el mismo superposición Principio que subyace a toda la mecánica cuántica. Tampoco viola ninguna ley de conservación: el total se conserva en toda la descripción cuántica.

Los números detrás de la mezcla

Los experimentos de oscilación no miden las masas de los neutrinos directamente: miden la diferencias entre las masas cuadradas, que controlan la rapidez con la que los sabores se interconvierten. Décadas de datos solares, atmosféricos, de reactores y de aceleradores arrojan dos desgloses bien determinados:

Δm²₂₁ ≈ 7.5 × 10⁻⁵ eV², |Δm²₃₁| ≈ 2.5 × 10⁻³ eV²

Estos pequeños números implican masas de neutrinos inferiores a aproximadamente 0,1 eV, al menos un millón de veces más ligeras que el electrón, aunque probablemente no sean cero. Queda abierta una pregunta: el ordenar de las masas (qué estado es más pesado), conocida como jerarquía de masas, que los experimentos de próxima generación están diseñados para resolver. El mero hecho de que estas divisiones sean distintas de cero es, en sí mismo, la primera evidencia de laboratorio de una física más allá del Modelo Estándar.