¿Son los neutrinos su propia antipartícula?

Las antipartículas tienen propiedades opuestas a su antipartícula, pero una teoría de hace casi un siglo explicaría cómo los neutrinos y otras partículas podrían ser su propia antipartícula. De ser así, esto tendría implicaciones importantísimas en nuestro estudio del universo.

Cada partícula tiene su antipartícula. Desde que Paul Dirac predijera la existencia de la antimateria en su célebre ecuación, hemos podido observar incontables procesos en los que las antipartículas jugaban un papel fundamental. Poseen la misma masa que las partículas de materia “normal”, pero son opuestas en casi todos los demás aspectos. Cada propiedad cuántica, como el espín y la carga, se invierte en la antimateria. Por lo que sabemos ninguna ley física impide la existencia de un mundo de antimateria compuesto por antiprotones y antineutrones que se combinan con positrones (la versión antimateria de un electrón) para formar antiátomos y hasta antimoléculas. Pero si te das una vuelta por el universo, te darás cuenta de que la antimateria no es algo que veamos con frecuencia. Cuando la antimateria y la materia se encuentran, se aniquilan mutuamente en una explosión de energía.

Para aquellas partículas carentes de alguna propiedad cuántica, su antipartícula será idéntica en ese aspecto. Un ejemplo es el fotón, la partícula de la que está compuesta la luz. Los fotones son partículas sin carga eléctrica y con un espín igual a cero. Eso hace que su antipartícula, lo que llamaríamos antifotón, sea en verdad idéntica. Es decir, el fotón es su propia antipartícula. El fotón es además un tipo de partícula conocido como bosón. A esta familia pertenecen también el bosón de Higgs (el propio nombre ya lo evidencia) o el gluón. Los bosones son partículas con un valor entero para el espín. La alternativa son los fermiones, partículas con un valor semientero para esta propiedad. A pesar de que la posible existencia de fermiones que fueran su propia antipartícula se predijo en 1937, hasta la fecha no hemos observado ninguna partícula que lo sea.

Partículas de Majorana

A día de hoy, pensamos que solo el neutrino podría llegar a tener esta propiedad. A estos fermiones que funcionan como sus propias antipartículas se les llama fermiones (o simplemente partículas) de Majorana, en honor a Ettore Majorana, el físico italiano que predijo su existencia y describió sus propiedades. Electrones y quarks no podrán ser partículas de Majorana porque tienen propiedades cuánticas con valores distintos a cero. Electrones, muones y tauones tienen carga eléctrica negativa, mientras que los quarks pueden tenerla positiva o negativa. Los neutrinos, como su nombre sugiere, son neutros. Pero la carga eléctrica no es la única propiedad cuántica que se invierte entre partículas y antipartículas. Estas tendrán también valores opuestos de cualquier otra propiedad similar a la carga que puedan tener. Por ejemplo, el protón y el antiprotón tienen cargas eléctricas opuestas y un «número bariónico» opuesto. El neutrón por otro lado no tiene carga eléctrica y también tiene este número bariónico. Por tanto es esta propiedad la que distingue a una partícula neutra, como el neutrón, de su antipartícula: el neutrón tiene un número bariónico de 1 y el antineutrón de -1.

Cargas conservadas

Los electrones, muones, tauones y neutrinos son leptones, no bariones, por lo que tienen un «número leptónico» en lugar de un número bariónico. Un neutrino, en principio, tiene un número leptónico de 1 y un antineutrino de -1. Estos números bariónico y leptónico creemos que son cantidades conservadas. Esto significa que en un proceso cualquiera de interacción en el que participan bariones o leptones, la cantidad total de estos (o más concretamente el número bariónico o leptónico total) debe conservarse. Si iniciamos el proceso con tres bariones y un leptón, deberemos tener la misma cantidad al final, aunque tengan diferente naturaleza. Si se crean bariones o leptones extra deberán hacerlo por pares partícula-antipartícula, de forma que la contribución de esas nuevas partículas se contrarreste y el número neto no cambie.

Con todo, si neutrinos y antineutrinos tienen efectivamente un número leptónico opuesto, se llamarían “neutrinos de Dirac”, pues su comportamiento vendría descrito por la ecuación de Dirac. Sin embargo, si el número leptónico no se conserva y pudiéramos tener procesos en los que cambia entre el estado inicial y el final, no habría distinción entre un neutrino y su antineutrino, y serían llamados neutrinos de Majorana. Distinguir la naturaleza de estas partículas es imprescindible no solo para la física de partículas, sino también para la cosmología pues los neutrinos son la segunda partícula más abundante del universo y el fermión más común.

El reto de estudiar neutrinos

Estudiar neutrinos ha supuesto un reto durante décadas, desde la primera detección confirmada de un neutrino en 1956, hasta la actualidad. Estas partículas solo interactúan a través de la interacción débil con el resto de materia. Esto les permite escapar del núcleo del Sol sin chocar con prácticamente ninguna partícula, pero también dificulta su detección aquí en la Tierra. Nuestra esperanza por tanto está en los números. Aunque una colisión concreta sea increíblemente improbable, al haber tantísimos neutrinos atravesando la Tierra constantemente (del orden de trillones de ellos por segundo), alguno de ellos acabará colisionando con nuestros detectores. Uno de los experimentos más prometedores para distinguir si los neutrinos se comportan como dijo Dirac o Majorana es estudiando la desintegración beta.

La desintegración beta es un tipo de desintegración radiactiva en la que un núcleo atómico inestable emite una partícula beta, que puede ser un electrón (desintegración beta negativa) o un positrón (desintegración beta positiva), y un antineutrino o neutrino, respectivamente. En la desintegración beta negativa, un neutrón se convierte en un protón, emitiendo un electrón y un antineutrino, por ejemplo. Este proceso podría ocurrir ocasionalmente de una forma ligeramente diferente, sin emitir neutrinos. La desintegración beta sin neutrinos es un proceso hipotético en el que un núcleo atómico emite dos electrones (o dos positrones) sin emitir antineutrinos (o neutrinos). Si este proceso ocurre, implicaría que el neutrino es su propia antipartícula, es decir, un neutrino Majorana. Esta desintegración sería una violación a la conservación del número leptónico y proporcionaría una fuerte evidencia a favor de los neutrinos como fermiones Majorana. Hasta la fecha, este proceso aún no ha sido observado de manera concluyente, pero existen multitud de experimentos que andan en su búsqueda.