Ya puedes escuchar mi nuevo podcast sobre física para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción del audio.

Mi nuevo podcast sobre física responde a una pregunta que me ha realizado por Twitter Alex San (@alexcalamaro): por qué Richard Ruiz (@bravelittlemuon) escribió en Twitter que «el único fallo del modelo estándar es su incapacidad para explicar la masa de los neutrinos.» Le prometí a Alex contestarle y voy a compartir mi respuesta con todos vosotros.

El físico Richard Ruiz hacía referencia a la charla de Goran Senjanović «Neutrino and the Origin of Mass» en la conferencia internacional Phenomenology 2013 Symposium, el Simposio de 2013 sobre Fenomenología, que ha tenido lugar en la Universidad de Pittsburgh, Pensilvania, EEUU, la semana pasada (entre el 6 y el 8 de mayo); Richard tuiteó dicha conferencia en directo. La masa de los neutrinos tiene dos posibles explicaciones en el marco del modelo estándar de la física de partículas elementales. La explicación depende de que los neutrinos sean partículas de Dirac o partículas de Majorana, es decir, si los neutrinos son diferentes de sus antipartículas o son idénticos a ellas. En ambos casos, se requiere un ajuste muy fino de los parámetros del modelo estándar, tan fino que apunta a un problema de consistencia del propio modelo estándar y pide a gritos física más allá del modelo estándar. A este hecho se refiere Goran Senjanovic en su charla como el fallo del modelo estándar asociado a la masa de los neutrinos. Permíteme explicarlo con más detalle.

El modelo estándar es una teoría cuántica de campos concreta y permite incorporar fácilmente nuevas partículas (caso de que sean descubiertas) y nuevas interacciones. En toda teoría cuántica de campos hay partículas de dos tipos, fermiones y bosones. En el modelo estándar hay tres familias de fermiones. Cada familia tiene dos tipos de fermiones, quarks y leptones. Los leptones a su vez se diferencian entre leptones cargados y leptones neutros. Entre los leptones cargados tenemos al electrón de todos los átomos, al muón y al leptón tau. Entre los leptones neutros tenemos tres neutrinos, cada uno asociado a un leptón cargado, es decir, el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tau. Para los leptones cargadas se cumple la ley de conservación del número leptónico: en toda desintegración el número de leptones de cada familia debe conservarse. Por ejemplo, si un muón se desintegra en un electrón, debe producirse un antineutrino electrónico y un neutrino muónico, para que el número de leptones tipo electrón y tipo muón se conserve. Sin embargo, el número leptónico no se conserva en los leptones neutrinos: un neutrino muónico puede cambiar de identidad y transformarse en un neutrino electrónico, o en un neutrino tau. A esta violación de la conservación del número leptónico se le llama oscilación de los neutrinos y sólo está permitida dentro del modelo estándar si los neutrinos son partículas con masa. Esta masa debe ser muy pequeña y los límites cosmológicos obtenidos por el telescopio Planck de la ESA en marzo de 2013 apuntan a que la suma de las masas de los tres neutrinos es menor que 0,24 eV, con un mejor ajusta para 0,06 eV. Este valor es muy pequeño. Recuerda que la masa del electrón, el leptón cargado más ligero es de 511.000 eV.

Hoy en día sabemos con toda seguridad que los neutrinos tienen masa, sin embargo, la incorporación de la masa de los neutrinos en el modelo estándar es un problema que aún no está del todo resuelto. La razón es sencilla. Hay dos posibilidades y no sabemos cuál es la correcta. Todo depende de si los neutrinos son partículas de Dirac, como los leptones cargadas, o son partículas de Majorana, al contrario que los leptones cargados. Veamos ambos casos por separado y cómo influyen en la opinión que expresa Goran Senjanović en su charla, de la que se hace eco Richard Ruiz, motivo de la pregunta que me hace Alex San en Twitter.

Los leptones cargados, como el electrón, el muón y el leptón tau son fermiones de Dirac y como tales corresponden a excitaciones cuánticas de un campo con cuatro componentes, divididas en dos parejas. Una pareja corresponde a la partícula y la otra pareja a la antipartícula. Recuerda que el campo electromagnético tiene dos componentes, eléctrica y magnética, y su partícula el fotón corresponde a la excitación simultánea de ambas componentes del campo (un fotón es una excitación localizada de campos eléctricos y campos magnéticos). El electrón también es una excitación cuántica de un campo que tiene dos componentes, que se llaman componente quiral izquierda y quiral derecha; su antipartícula, el positrón, es una excitación cuántica de otras dos componentes, totalizando el campo del electrón cuatro componentes, en lugar de dos, como el campo electromagnético. El electrón tiene masa porque sus dos componentes quirales (izquierda y derecha) interaccionan entre sí por medio del campo de Higgs. Las excitaciones de la componente izquierda interaccionan con el campo de Higgs y se transforman en excitaciones de la componente derecha, y viceversa. Gracias a esta interacción el electrón tiene masa. Los demás leptones cargados (y los quarks) tienen masa por un proceso físico análogo.

Si los neutrinos (leptones neutros) son partícula de Dirac, deben tener masa por el mismo proceso físico. Los neutrinos deberían tener dos componentes quirales, izquierda y derecha, que interaccionan entre ellas gracias al campo de Higgs. El problema es que los experimentos de física de alta energía nunca han observado las componentes derechas del neutrino; sólo se han observado las componentes izquierdas. Para los antineutrinos sólo se han observado las componentes derechas y nunca se han observado las componentes derechas. Esto es un grave problema para el modelo estándar porque requiere introducir un mecanismo especial que explique por qué las componentes derechas del neutrino (y las izquierdas del antineutrino) nunca han sido observadas en los experimentos hasta el día de hoy.

Se pueden matar dos pájaros de un tiro y explicar por qué los neutrinos tienen una masa tan pequeña, comparada con la del electrón, si se supone que las componentes quirales no observadas de los neutrinos existen pero tienen una masa muy grande, más allá de lo que pueden observar los experimentos actuales. Los neutrinos quirales derechos y los antineutrinos quirales izquierdos podrían existir pero no han sido observados porque su masa está más allá de lo que se puede observar en los experimentos. Esta solución se llama mecanismo seesaw (o mecanismo del columpio, o mecanismo del balancín). Igual que un columpio en el que se montan un adulto y un niño pequeño acaba con el niño por los aires y el adulto sentado en el suelo, este mecanismo permite explicar por qué los neutrinos izquierdos tienen una masa tan pequeña comparada con la del electrón si los neutrions derechos tienen una masa muy grande.

Este mecanismo parece una solución perfecta, pero tiene un problema. Hay que introducir un parámetro (una escala) de masa grande. El valor de este nuevo parámetro del modelo estándar requiere un ajuste fino del orden de 1 parte en un billón (una parte en un millón de millones). A muchos físicos una ajuste tan fino no les gusta. Más aún, muchos físicos creen que los ajustes tan finos como éste apuntan a la existencia de nueva física más allá del modelo estándar, nueva física que explique este ajuste fino, nueva física que aparezca a la escala de masas y/o energías asociada al nuevo parámetro. Hay mútiples posibilidades, como las teorías de gran unificación o la supersimetría. Por ello, Goran Senjanović en su charla nos dice que si el neutrino masivo es una partícula de Dirac tiene que haber nueva física más allá del modelo estándar. En cierto sentido, la masa del neutrino es un fallo del modelo estándar que no la explica sin recurrir a un ajuste fino demasiado fino. Y por tanto, poco natural.

Pero hay otra posibilidad, que los neutrinos (leptones neutros) sean partículas de Majorana. Las partículas de Majorana son excitaciones de campos que tienen sólo dos componentes, como el campo electromagnético, pero a diferencia del electrón que tiene cuatro componentes. Por ello, las partículas de Majorana no tienen antipartículas, o lo que es lo mismo, estas partículas son sus propias antipartículas; una partícula de Majorana se puede aniquilar con otra partícula de Majorana (a diferencia de las partículas de Dirac en las que las partículas sólo se aniquilan al interaccionar con sus antipartículas). Si los neutrinos con masa son partículas de Majorana, se debería observar un proceso radiactivo llamado desintegración beta doble sin neutrinos, que está siendo buscado por muchos experimentos aunque todavía no ha sido observado. ¿Cómo obtienen masa las partículas de Majorana? El mecanismo de Higgs no permite explicar cómo obtienen masa las partículas de Majorana, por lo que si el neutrino es una partícula de Majorana, el modelo estándar no puede ser una teoría completa. Debe existir un mecanismo más allá del modelo estándar que explique cómo obtienen masa los neutrinos. Por supuesto se puede recurrir a una teoría de gran unificación o a la supersimetría para explicar la aparición de un término de masa asociado a las partículas de Majorana.

En resumen, hay dos posibilidades para los neutrinos masivos, que sean partículas de Dirac o de Majorana, pero en ambos casos, sobre todo en el segundo, se requiere nueva física más allá del modelo estándar para explicar el origen de su masa. Por ello Goran Senjanović nos dice en su charla que la existencia de neutrinos con masa es un fallo del modelo estándar que requiere nueva física más allá del modelo estándar. Espero haber contestado de una forma comprensible, y poco técnica, la pregunta que Alex San (@alexcalamaro) me formuló en Twitter.

Más información técnica para los interesados en Borut Bajc et al., «Probing seesaw at LHC,» Phys. Rev. D 76: 055011, 2007 [arXiv:hep-ph/0703080]; Goran Senjanovic, «Probing the Origin of Neutrino Mass: from GUT to LHC,» arXiv:1107.5322; Goran Senjanovic, «LHC and the origin of neutrino mass,» arXiv:0911.0029.

Como siempre, si no has escuchado aún mi podcast, disfrútalo en este enlace.