Los experimentos para comprender la formación del universo estaban equivocados



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Los experimentos para comprender la formacion del universo estaban equivocados

Si una persona toma un bolígrafo y dibuja un cuadrado de un centímetro a cada lado en la palma de su mano, esa pequeña superficie será atravesada inmediatamente por algún 65 mil millones de neutrinos provenientes de las reacciones nucleares del Sol. Y cada segundo pasarán otros 65.000 millones. Los neutrinos son, junto con los fotones en la luz, las partículas elementales más abundantes del universo. Sin embargo, son escurridizos, extremadamente difíciles de detectar, carecen de carga eléctrica y tienen una masa casi nula. millones de veces menos a la del electrón. La comunidad científica está construyendo máquinas por valor de cientos de millones de euros, como el futuro detector japonés Híper-Kamiokande, para intentar encontrar neutrinos y medir con precisión sus propiedades. Los investigadores creen que estas partículas fantasmales esconden algunos de los mayores secretos sobre el universo. Un equipo internacional de investigadores reveló este miércoles una desagradable sorpresa: los simuladores utilizados hasta ahora están llenos de errores. Tienes que sintonizarlos para entender por qué existimos.

El universo comenzó con toda la materia y la energía concentrada en un lugar más pequeño que el que está al final de esta oración. La expansión comenzó con el Big Bang, hace unos 13.700 millones de años. El problema con la teoría es que en el origen del universo debería haberse formado la misma cantidad de materia que la antimateria: partículas con la misma masa, pero con valores opuestos de carga eléctrica. Y si ese fuera el caso, la materia y la antimateria se habrían aniquilado entre sí al contacto, y el universo conocido no existiría. Sin embargo, la realidad es que la antimateria representa menos del 0,0000001% de la materia total del universo. ¿Qué pasó después del Big Bang para que la materia ganara en su lucha contra la antimateria?

Muchos físicos, como los españoles Guillermo Megias, creen que el neutrino tiene la respuesta. “Algo tenía que romper ese ciclo. Hemos evolucionado en un universo en el que estamos rodeados de materia. No hay antimateria en un bolígrafo ni en una mesa ”, explica Megías, quien recientemente regresó a la Universidad de Sevilla después de dos años en la Universidad de Tokio. El físico, un sevillano de 34 años, especifica que la clave podría estar en la llamada oscilación de neutrinos: estas partículas cambian de identidad a medida que se mueven por el espacio y pueden adquirir tres tipos o sabores. Son camaleónicos, lo que implica que tienen masa, al contrario de lo que se pensaba anteriormente. El descubrimiento de este fenómeno ganó el Premio Nobel de Física en 2015 para los japoneses Takaaki kajita y el canadiense Arthur McDonald.

La victoria de la materia sobre la antimateria

Guillermo Megías participa en el T2K, un atrevido experimento diseñado para investigar esta metamorfosis. Los científicos generan un chorro de neutrinos en la costa este de Japón e intentan perseguirlos hasta la otra costa, a unos 300 kilómetros de distancia, en el Super-Kamiokande: un detector subterráneo inaugurado en 1996 dentro de una antigua mina de zinc. Trillones de neutrinos lo atraviesan sin dejar rastro, pero de vez en cuando uno choca con la materia de un gigantesco depósito de 41 metros de altura lleno de 50.000 toneladas de agua. Los cambios observados en la composición e intensidad de los neutrinos en ese kilómetro de viaje permiten deducir sus misteriosas propiedades.

Las mediciones, sin embargo, dependen de modelos teóricos que predicen cómo interactúan los neutrinos con los núcleos de los átomos. El nuevo estudio, publicado este miércoles en la revista Naturaleza, revela que los simuladores que utilizan estos modelos están plagados de inexactitudes. Deben desarrollarse, especialmente ahora que se están construyendo enormes detectores, como el japonés Hiper-Kamiokande, cinco veces más grande que el Super-Kamiokande y con un costo de más de 500 millones de euros, y el americano DUNE, un proyecto similar en una antigua mina de oro de Dakota del Sur, con una inversión comprometida de más de 80 millones de euros.

Los neutrinos apenas interactúan con la materia. Incluso podrían romper una barrera de plomo de nueve billones de kilómetros grueso. En experimentos actuales, como el T2K japonés o el nuevo americano americanoLos científicos solo pueden detectar un neutrino por cada varios miles de billones de billones producidos en aceleradores de partículas. En esas raras ocasiones en que los neutrinos interactúan con la materia, por ejemplo cuando chocan con los núcleos atómicos del agua Super-Kamiokande, se generan tres tipos de partículas, dependiendo del sabor del neutrino: electrones, muones (similares a los electrones, pero 200 veces más pesado) o taus (4.000 veces más pesado).

Los experimentos actuales miden estas partículas resultantes fácilmente detectables para inferir las propiedades de las oscilaciones de neutrinos, tratando de reconstruir las energías del proceso con modelos teóricos. Los autores del nuevo trabajo, dirigido por Físico israelí o gallina, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (EE.UU.) – imitaron estos experimentos, pero intercambiando neutrinos por electrones, una partícula perfectamente controlada por los científicos. El resultado es sorprendente e inquietante. Los datos sugieren que hasta un 70% de las interacciones están mal reconstruidas con los simuladores actuales, según Megías, coautor de la investigación. La corrección de los modelos ayudará a descubrir si la oscilación de los neutrinos causó que la materia venciera a la antimateria después del Big Bang.

La nueva física debe estar ahí. La pregunta del millón de dólares es, ¿lo sabremos en unos años?

Pilar Coloma, física

Física Pilar Coloma, nacido en Santa Cruz de Tenerife hace 37 años, destaca la necesidad de afinar los modelos, especialmente en los futuros experimentos DUNE e Hiper-Kamiokande, que tienen como objetivo medir las propiedades de los neutrinos con un rigor sin precedentes. «Para llegar a ese nivel de precisión es necesario controlar muy bien los errores sistemáticos», dice Coloma, del Instituto de Física Teórica de Madrid.

Gigantes como Hyper-Kamiokande también podrían abrir una puerta a una nueva física, más allá de la Modelo estandar, la teoría desarrollada desde la década de 1970 que describe el universo utilizando 17 partículas fundamentales, los bloques de construcción de la naturaleza, y las interacciones entre ellas. «Podría descubrir algunas propiedades adicionales o incluso algunos neutrinos que no conocemos», explica Coloma, también coautor del nuevo estudio.

En los últimos años, varios laboratorios han buscado sin éxito un hipotético cuarto neutrino, llamado estéril, debido a su supuesta incapacidad para interactuar con otras partículas conocidas. Los neutrinos estériles son uno de los posibles ingredientes de la materia oscura, partículas enigmáticas que aparentemente componen 85% de la materia en el universo, cinco veces más que la materia clásica, la que se forma desde las estrellas hasta los seres humanos. «La nueva física tiene que estar ahí», dice Coloma. «La pregunta del millón de dólares es si lo sabremos en unos años».

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