Durante años, un equipo internacional de investigadores se ha escondido en las profundidades de una montaña en el centro de Italia, recolectando incansablemente las mediciones más sensibles del metro cúbico más frío del universo conocido. Los científicos están buscando evidencia de que las partículas fantasmales llamadas neutrinos son indistinguibles de sus propias contrapartes de antimateria. Si se prueba, el descubrimiento podría resolver un enigma cósmico que ha afectado a los físicos durante décadas: ¿por qué existe la materia?
Hace tiempo que saben que la materia tiene una antimateria malvada llamada gemela. Para cada partícula fundamental en el universo, existe una antipartícula que es casi idéntica a su hermano, con la misma masa pero carga opuesta. Cuando una partícula y una antipartícula se encuentran cara a cara, se aniquilan entre sí, creando energía pura.
"Tenemos esta aparente simetría completa de contabilidad entre la materia y la antimateria", dijo a Live Science Thomas O'Donnell, profesor de física en la Universidad Virginia Tech. "Cada vez que haces un trozo de materia, también haces un trozo de antimateria equilibrado, y cada vez que destruyes un trozo de materia, debes destruir un trozo de antimateria. Si esto es cierto, nunca puedes tener más de un tipo que el otro."
Esta simetría está en desacuerdo con nuestra comprensión actual de cómo comenzó el universo. Según la teoría del Big Bang, cuando el universo se expandió desde una singularidad infinitesimal hace unos 13.800 millones de años, se cree que surgieron cantidades iguales de materia y antimateria. Sin embargo, cuando los astrónomos miran el cosmos hoy, el universo está compuesto casi por completo de materia sin ninguno de sus gemelos malvados a la vista. Más preocupante, si la teoría del Big Bang es correcta, entonces nosotros, sí, los humanos, no deberíamos estar aquí hoy.
"Si la materia y la antimateria obedecen completamente esta simetría, entonces, a medida que el cosmos evolucionó, toda la materia y la antimateria se habrían aniquilado en fotones y no quedaría materia para las estrellas, los planetas o incluso las células humanas. ¡No existiríamos!" O'Donnell dijo. "La gran pregunta es: '¿Se rompió este esquema contable en algún momento durante la evolución del universo?'"
Esa pregunta es lo que O'Donnell y sus colegas colaboradores esperan responder. En los últimos dos años, su equipo ha recopilado y analizado datos del experimento CUORE (Observatorio subterráneo criogénico para eventos raros) en el Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia, buscando la pistola humeante que detendría este misterio cósmico.
Los pequeños neutrales
CUORE, que significa "corazón" en italiano, está buscando evidencia de que las esquivas partículas subatómicas llamadas neutrinos son su propia antipartícula, lo que los físicos llaman una partícula de Majorana. Los neutrinos, que pasan como espectros a través de la mayoría de la materia, son extremadamente difíciles de detectar. De hecho, según la NASA, billones de neutrinos que se originan en el ardiente horno nuclear de nuestro sol pasan a través de nuestros cuerpos cada segundo.
El experimento CUORE busca la firma de los neutrinos Majorana que se aniquilan entre sí en un proceso llamado decaimiento doble beta sin neutrinos. En la desintegración doble beta común, dos neutrones dentro del núcleo de un átomo se transforman simultáneamente en dos protones, emitiendo un par de electrones y antineutrinos. Este evento nuclear, aunque extremadamente raro y ocurre solo una vez cada 100 quintillones de años (10 ^ 20) para un átomo individual, se ha observado en la vida real.
Sin embargo, si los investigadores tienen razón y los neutrinos son verdaderas partículas de Majorana (son su propia antipartícula), entonces los dos antineutrinos creados durante la descomposición podrían aniquilarse entre sí y crear una descomposición doble beta sin neutrinos. ¿El resultado? Solo electrones, que son "materia ordinaria". Si este proceso es cierto, puede ser responsable de sembrar el universo primitivo con materia ordinaria. Sin embargo, observar este proceso es otra historia. Los científicos estiman que la descomposición doble beta sin neutrinos (si es que existe) puede tener lugar solo una vez cada 10 septillones de años (10 ^ 25).
"El modo sin neutrinos es el que realmente queremos ver, rompería las reglas y crearía materia sin antimateria", dijo O'Donnell, miembro de la colaboración CUORE. "Sería la primera pista para una solución real de la asimetría materia-antimateria".
El detector CUORE busca la firma energética, en forma de calor, de los electrones creados durante la desintegración radiactiva de los átomos de teluro. La desintegración doble beta sin neutrinos dejaría un pico único y distinguible en el espectro de energía de los electrones.
"CUORE es, en esencia, uno de los termómetros más sensibles del mundo", dijo en un comunicado Carlo Bucci, coordinador técnico de la colaboración de CUORE.
Ensamblado durante más de una década, el instrumento CUORE es el metro cúbico más frío del universo conocido. Se compone de 988 cristales en forma de cubo hechos de dióxido de telurio, enfriados a 10 milicelvin, o menos 460 grados Fahrenheit (menos 273 grados Celsius), solo un cabello por encima de la temperatura más fría que permitirá la física. Para proteger el experimento de la interferencia de partículas externas como los rayos cósmicos, el detector está encerrado en una gruesa capa de plomo altamente puro recuperado de un naufragio romano de 2.000 años de antigüedad.
A pesar de los logros tecnológicos del equipo, encontrar el evento sin neutrinos no ha resultado ser una tarea fácil. Los investigadores han más que cuadruplicado los datos recopilados desde sus resultados iniciales en 2017, lo que representa el conjunto de datos más grande jamás recopilado por un detector de partículas de este tipo. Sus últimos resultados, publicados en la base de datos de preimpresión arXiv, muestran que no encontraron evidencia de descomposición doble beta sin neutrinos.
La colaboración aún está decidida a cazar esta esquiva partícula de doble agente. Sus resultados han puesto un límite más estricto en la masa esperada de un neutrino Majorana, que creen que es al menos 5 millones de veces más ligero que un electrón. El equipo tiene planes de actualizar CUORE después de su ejecución inicial de cinco años, presentando un nuevo tipo de cristal que esperan que mejore enormemente su sensibilidad.
"Si la historia es un buen predictor del futuro, entonces podemos estar bastante seguros de que ampliar las tecnologías de detección nos permitirá examinar los neutrinos con una profundidad cada vez mayor", dijo O'Donnell. "Con suerte, descubriremos la desintegración doble beta sin neutrinos, o tal vez algo más exótico e inesperado".
