Todo lo que vemos a nuestro alrededor, desde el suelo bajo nuestros pies hasta las galaxias más remotas, está hecho de materia. Para los científicos, esto ha planteado un problema: según las mejores teorías actuales de la física, la materia y su contraparte, la antimateria, deberían haberse creado en cantidades iguales en el momento del Big Bang. Sin embargo, la antimateria es extremadamente rara en el universo. ¿Qué sucedió?
Los físicos aún no conocen la respuesta a esta pregunta, pero muchos piensan que la solución debe involucrar alguna diferencia sutil en el comportamiento de la materia y la antimateria. En este momento, el camino más prometedor hacia ese territorio inexplorado se centra en nuevos experimentos que involucran la misteriosa partícula subatómica conocida como neutrino.
“No quiero decir que los neutrinos sean definitivamente la explicación de la asimetría entre materia y antimateria, pero una gran clase de modelos que pueden explicar esta asimetría están conectados a los neutrinos”, afirma Jessica Turner, física teórica en la Universidad de Durham, en el Reino Unido.
Para entenderlo mejor: cuando los físicos hablan de materia, se refieren a la sustancia ordinaria de la que está hecho el universo, principalmente protones y neutrones (que componen los núcleos de los átomos), junto con partículas más ligeras como los electrones. Aunque el término “antimateria” suena a ciencia ficción, no es tan diferente de la materia ordinaria. Por lo general, la única diferencia es la carga eléctrica: por ejemplo, el positrón, la primera partícula de antimateria descubierta, tiene la misma masa que un electrón pero lleva una carga positiva en lugar de negativa. (Las cosas son un poco más complicadas con las partículas eléctricamente neutras. Por ejemplo, un fotón se considera su propia antipartícula, pero un antineutrón es distinto de un neutrón porque está compuesto de antiquarks en lugar de quarks ordinarios.)
Diversas partículas de antimateria pueden existir en la naturaleza; ocurren en rayos cósmicos y en nubes de tormenta, y son producidas por ciertos tipos de desintegración radiactiva. (Como las personas —y los plátanos— contienen una pequeña cantidad de potasio radiactivo, emiten cantidades minúsculas de antimateria en forma de positrones.)
Pequeñas cantidades de antimateria también han sido creadas por científicos en aceleradores de partículas y otros experimentos, con gran esfuerzo y costo, lo que limita los sueños de ciencia ficción sobre cohetes propulsados por antimateria o armas capaces de destruir planetas.
Cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan, liberando energía en forma de radiación. Tales encuentros están regidos por la famosa ecuación de Einstein, E=mc2, que establece que se puede convertir un poco de materia en mucha energía, o viceversa. (Los positrones emitidos por los plátanos y los cuerpos tienen tan poca masa que no notamos las diminutas cantidades de energía liberadas cuando se aniquilan.) Debido a que la materia y la antimateria se aniquilan con tanta facilidad, es difícil crear un trozo de antimateria mucho más grande que un átomo, aunque en teoría podría haber desde moléculas de antimateria hasta planetas y estrellas de antimateria.
Pero hay un enigma: si la materia y la antimateria fueron creadas en cantidades iguales en el momento del Big Bang, como sugiere la teoría, ¿no deberían haberse aniquilado, dejando un universo compuesto únicamente de energía? ¿Por qué queda materia?
La mejor suposición de los físicos es que algún proceso en el universo temprano favoreció la producción de materia en comparación con la producción de antimateria, pero exactamente cuál fue ese proceso es un misterio, y la pregunta de por qué vivimos en un universo dominado por la materia es uno de los problemas más desconcertantes de toda la física.
Crucialmente, los físicos no han podido pensar en ningún proceso que se ajuste a la teoría actual de la materia y la energía, conocida como el Modelo Estándar de la física de partículas. Esto deja a los teóricos en busca de nuevas ideas, alguna física aún desconocida que vaya más allá del Modelo Estándar. Aquí es donde entran los neutrinos.
Una respuesta neutral
Los neutrinos son partículas diminutas sin carga eléctrica. (El nombre se traduce como “pequeño neutral”.) Según el Modelo Estándar, deberían ser sin masa, como los fotones, pero experimentos que comenzaron en la década de 1990 mostraron que en realidad tienen una masa diminuta. (Son al menos un millón de veces más ligeros que los electrones, los más ligeros de la materia normal.) Dado que los físicos ya saben que los neutrinos violan el Modelo Estándar al tener masa, su esperanza es que aprender más sobre estas diminutas partículas pueda proporcionar información sobre lo que está más allá.
Sin embargo, los neutrinos han sido lentos en revelar sus secretos, ya que apenas interactúan con otras partículas. Aproximadamente 60 mil millones de neutrinos del Sol pasan a través de cada centímetro cuadrado de nuestra piel cada segundo. Si esos neutrinos interactuaran con los átomos de nuestros cuerpos, probablemente nos destruirían. En cambio, pasan de largo. “Lo más probable es que no interactúes con un solo neutrino en tu vida”, dice Pedro Machado, físico en Fermilab, cerca de Chicago. “Es simplemente tan poco probable.”
Los experimentos, sin embargo, han mostrado que los neutrinos “oscilan” mientras viajan, cambiando entre tres identidades diferentes; los físicos los llaman “sabores”: neutrino electrónico, neutrino muón y neutrino tau. Las mediciones de oscilación también han revelado que los neutrinos de diferentes sabores tienen masas ligeramente diferentes.
La oscilación de neutrinos es extraña, pero puede ser útil, ya que podría permitir a los físicos investigar ciertas simetrías fundamentales en la naturaleza, y estas a su vez podrían iluminar la asimetría más preocupante, a saber, el desequilibrio entre materia y antimateria en el universo.
Para los investigadores de neutrinos, una simetría clave se llama simetría de carga y paridad o simetría CP. Es en realidad una combinación de dos simetrías distintas: cambiar la carga de una partícula convierte la materia en antimateria (o viceversa), mientras que cambiar la paridad de una partícula convierte una partícula en su imagen especular (como convertir un guante diestro en uno zurdo). Así que la versión opuesta en CP de una partícula de materia ordinaria es una imagen especular de la correspondiente antipartícula. Pero, ¿se comporta esta partícula opuesta exactamente de la misma manera que la original? Si no, los físicos dicen que la simetría CP está violada, una forma elegante de decir que la materia y la antimateria se comportan ligeramente de manera diferente. Por lo tanto, cualquier ejemplo de violación de la simetría CP en la naturaleza podría ayudar a explicar el desequilibrio entre materia y antimateria.
De hecho, la violación de CP ya ha sido observada en algunos mesones, un tipo de partícula subatómica típicamente compuesta de un quark y un antiquark, un resultado sorprendente que se descubrió por primera vez en la década de 1960. Pero es un efecto extremadamente pequeño, y está muy lejos de poder explicar la asimetría entre materia y antimateria en el universo.
En julio de 2025, los científicos que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones en CERN, cerca de Ginebra, informaron evidencia clara de una violación similar por un tipo de partícula de una familia diferente de partículas subatómicas conocidas como bariones, pero se cree que esta nueva violación de CP es igualmente muy pequeña para explicar el desequilibrio entre materia y antimateria.
Experimentos en el horizonte
¿Y qué pasa con los neutrinos? ¿Violan la simetría CP, y si es así, lo hacen de manera suficientemente significativa como para explicar por qué vivimos en un universo dominado por la materia? Esta es precisamente la pregunta que está siendo abordada por una nueva generación de experimentos de física de partículas. El más ambicioso de ellos es el Experimento de Neutrinos de Profundidad Subterránea (DUNE), que actualmente se encuentra en construcción en los Estados Unidos; la recolección de datos podría comenzar tan pronto como en 2029.
DUNE empleará el haz de neutrinos más intenso del mundo, que disparará tanto neutrinos como antineutrinos desde Fermilab hacia el Sanford Underground Research Facility, ubicado a 800 millas de distancia en Dakota del Sur. (No hay túnel; los neutrinos y antineutrinos simplemente atraviesan la tierra, sin apenas notar que está allí.) Los detectores en cada extremo del haz revelarán cómo oscilan las partículas mientras atraviesan la distancia entre los dos laboratorios, y si el comportamiento de los neutrinos difiere del de los antineutrinos.
DUNE no determinará la cantidad precisa de violación de simetría CP de los neutrinos (si es que hay alguna), pero establecerá un límite superior. Cuanto mayor sea el posible efecto, mayor será la discrepancia en el comportamiento de los neutrinos frente a los antineutrinos, y mayor será la probabilidad de que los neutrinos puedan ser responsables de la asimetría entre materia y antimateria en el universo temprano.
Para Shirley Li, física en la Universidad de California, Irvine, la cuestión de la violación de CP en neutrinos es una pregunta urgente, que podría señalar el camino hacia una gran revisión de la física de partículas. “Si pudiera tener una pregunta respondida al final de mi vida, querría saber de qué se trata”, dice.
Aparte de ser un gran descubrimiento en sí mismo, la violación de simetría CP en neutrinos podría desafiar el Modelo Estándar al señalar otros fenómenos novedosos. Por ejemplo, los teóricos dicen que significaría que podría haber dos tipos de neutrinos: los de mano izquierda (los normales y ligeros observados hasta la fecha) y los neutrinos de mano derecha, que son hasta ahora solo una posibilidad teórica. (La “manos” de las partículas se refiere a sus propiedades cuánticas.)
Estos neutrinos de mano derecha podrían ser hasta 1015 veces más pesados que los protones, y serían inestables, desintegrándose casi instantáneamente después de aparecer. Aunque no se encuentran en el universo actual, los físicos sospechan que los neutrinos de mano derecha pueden haber existido en los momentos posteriores al Big Bang, posiblemente desintegrándose a través de un proceso que imitaba la violación de CP y favorecía la creación de materia sobre antimateria.
Incluso es posible que los neutrinos puedan actuar como sus propias antipartículas, es decir, que los neutrinos pudieran convertirse en antineutrinos y viceversa. Este escenario, que el descubrimiento de neutrinos de mano derecha respaldaría, haría que los neutrinos fueran fundamentalmente diferentes de partículas más familiares como quarks y electrones. Si los antineutrinos pueden convertirse en neutrinos, eso podría ayudar a explicar dónde fue la antimateria durante los momentos más tempranos del universo.
Una forma de probar esta idea es buscar un tipo inusual de desintegración radiactiva, teorizada pero hasta ahora nunca observada, conocida como “desintegración doble beta sin neutrinos”. En la desintegración doble beta regular, dos neutrones en un núcleo se descomponen simultáneamente en protones, liberando dos electrones y dos antineutrinos en el proceso. Pero si los neutrinos pueden actuar como sus propias antipartículas, entonces los dos neutrinos podrían aniquilarse entre sí, dejando solo los dos electrones y una explosión de energía.
Varios experimentos están en marcha o planeados para buscar este proceso de desintegración, incluyendo el experimento KamLAND-Zen, en la instalación de detección de neutrinos Kamioka en Japón; el experimento nEXO en la instalación SNOLAB en Ontario, Canadá; el experimento NEXT en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc en España; y el experimento LEGEND en el laboratorio Gran Sasso en Italia. KamLAND-Zen, nEXO y LEGEND ya están en funcionamiento.
Si bien estos experimentos difieren en los detalles, todos emplean la misma estrategia general: utilizan un gran recipiente de material radiactivo denso con arreglos de detectores que buscan la emisión de electrones inusualmente energéticos. (Los compañeros neutrinos que se esperarían estarían ausentes, con la energía que habrían tenido en su lugar llevada por los electrones.)
A medida que el neutrino, una de las partículas más misteriosas conocidas, va revelando lentamente sus secretos, puede resolver el enigma de nuestro universo dominado por la materia, un universo que permite que criaturas inquisitivas como nosotros prosperen. Los neutrinos que atraviesan silenciosamente tu cuerpo cada segundo están revelando gradualmente el universo bajo una nueva luz.
“Creo que estamos entrando en una era muy emocionante”, dice Turner.
Este artículo apareció originalmente en Knowable Magazine, una publicación sin fines de lucro dedicada a hacer que el conocimiento científico sea accesible para todos. Suscríbete al boletín de Knowable Magazine.
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