El misterio de la masa de los neutrinos: ¿tiene la teoría de cuerdas

El misterio de la masa de los neutrinos: ¿tiene la teoría de cuerdas la clave?
La recientemente descubierta masa de los neutrinos tiene un valor tan pequeño, comparado
con otras partículas elementales, que su explicación es un problema abierto en Física de
Partículas de Altas Energías. En un reciente artículo de un grupo investigador del Instituto de
Física Teórica, IFT-UAM/CSIC, se propone una explicación basada en la existencia de efectos
de instantón en Teoría de Cuerdas.
Los neutrinos son una de las partículas elementales más enigmáticas de la Naturaleza. A
diferencia de otras partículas elementales, como los electrones o los quarks (constituyentes de
protones y neutrones), los neutrinos no tienen carga eléctrica, y hasta hace pocos años se
dudaba de que siquiera tuvieran una de las características más propias de las partículas: la
masa.
Los neutrinos son muy abundantes en el Universo, ya que se producen profusamente (además
de en reactores nucleares y en rayos cósmicos en la atmósfera terrestre) en las reacciones
nucleares de fusión en las estrellas, como el Sol. A pesar del intenso flujo de neutrinos que nos
atraviesa, la interacción de los neutrinos con la materia es extremadamente débil y los hace
prácticamente indetectables. Su estudio experimental requiere la construcción de enormes
detectores subterráneos de miles de toneladas de material, cantidad necesaria para detectar
una mínima fracción del flujo de neutrinos. Los datos experimentales en las últimas décadas
(confirmados en 1998 por el detector super-Kamiokande en Japón) han mostrado que los
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neutrinos tienen una masa no nula, si bien ridículamente pequeña: aproximadamente 10 (100
millones de) veces menor que la del electrón!!
¿Por qué la masa de los neutrinos es tan pequeña comparada con la de otras partículas
elementales? En 1977 el físico suizo Peter Minkowski avanzó una posible respuesta. Propuso
la existencia de un nuevo tipo de neutrinos llamados dextrógiros (right-handed), con una masa
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M elevadisíma, del orden de 10 (100 billones de) veces la del protón. En su modelo, la masa
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de los neutrinos observados experimentalmente, estaría dada por la fórmula mneutr=m /M
(donde m sería la masa característica del resto de las partículas elementales). Este valor
concuerda bien con el orden de magnitud de las masas de neutrinos observada
experimentalmente. El modelo es conocido como el mecanismo del “balancín” (seesaw en
inglés), porque la elevada masa del neutrino dextrógiro “empuja” a valores muy pequeños el
valor de la masa del neutrino observado experimentalmente.
Esta propuesta es la explicación más aceptada, pero no parece despejar todas las incógnitas:
¿Qué son estos neutrinos dextrógiros? ¿Cuál es el origen de su enorme masa M? Desde el
punto de vista teórico, la existencia de neutrinos adicionales dextrógiros es natural. Muchas de
las teorías que intentan unificar las interacciones fundamentales de la Naturaleza en una sola
teoría unificada (como en las llamadas Teorías de Gran Unificación, o en las Teorías de
Cuerdas) admiten o predicen la existencia de estos neutrinos dextrógiros. Sin embargo, estas
teorías no parecían proporcionar una explicación natural de la magnitud de su masa M.
Una posible explicación surge de resultados recientes sobre la dinámica de instantones en las
Teorías de Cuerdas, según las investigaciones de Luis E. Ibáñez y Ángel M. Uranga, miembros
del Instituto de Física Teórica (IFT), instituto mixto de la Universidad Autónoma de Madrid y el
Consejo Superior de Investigaciones Científicas (y simultáneamente propuesto por un grupo de
investigadores de la Universidad de Pensilvania y del Instituto Max Planck, Munich). Los
resultados del grupo del IFT han sido publicados en el artículo “Neutrino Majorana masses from
String Theory Instanton Effects”, publicado en la revista Journal of High Energy Physics, JHEP
0703:052,2007.
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La Teoría de Cuerdas es el marco teórico más sólido que contempla la unificación de las
cuatro interacciones fundamentales de la Naturaleza (el electromagnetismo, las interacciones
nucleares fuerte y débil, y la gravedad), de forma consistente con las leyes generales de la
Mecánica Cuántica. En esta teoría los componentes fundamentales de la materia no son
partículas puntuales, sino 'cuerdas', distribuciones de energía en forma de filamento. Los
diferentes modos de vibración de las cuerdas corresponderían a las partículas elementales y a
las partículas mediadoras de las cuatro interacciones fundamentales. El tamaño característico
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de estas cuerdas es extremadamente pequeño, del orden de 10 (un millón de billones de
veces) menor que el radio de un protón. El reino natural de la teoría está a una escala de
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energía (y por tanto de masa) denominada MS, del orden de 10 (1000 millones de trillones)
veces mayor que la masa del electrón. Esta escala es enorme, e inaccesible
experimentalmente, pero podría tener consecuencias observables, y en particular estar
relacionada con la enorme masa de los neutrinos dextrógiros. Para ellos es necesario
encontrar un mecanismo que explique su relación: A pesar de su enormidad, la escala M es
todavía un millón de veces menor que la escala de la cuerda MS.
Figura 1: Los neutrinos dextrógiros
adquieren una masa, una resistencia al
movimiento a lo largo de su trayectoria
(línea roja). La resistencia se debe a sus
tropiezos con las flucutaciones cuánticas
de tipo instantón (circulos rayados) que
surgen de forma aleatoria en el vacío de
Teoría
de
Cuerdas.
Figura
2:
Generación de masa para los neutrinos
mediante el mecanismo seesaw (del
balancín) en Teoría de Cuerdas. a) La
Teoría de Cuerdas describe las
partículas elementales como objetos
extensos en forma de filamentos, b)
Fluctuaciones cuánticas de tipo instantón
en el vacío producen una inercia o masa
para los neutrinos dextrógiros. c) La
enorme
masa
de
los
neutrinos
dextrógiros
'empuja',
mediante
el
mecanismo del balancín, la masa de los
neutrinos ordinarios a valores muy
pequeños,
compatibles
con
los
resultados experimentales medidos en
detectores como SuperKamiokande (d).
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El mecanismo propuesto por los investigadores del IFT se basa en generar la masa de los
neutrinos dextrógiros mediante un efecto de instantón en Teoría de Cuerdas. En la Teoría de
Cuerdas, como en toda teoría consistente con la Mecánica Cuántica, el espacio vacío dista
mucho de estar realmente vacío. En particular, existen efectos denominados “instantones” en
los que del vacío surge un condensado de energía cuántica que desaparece casi
instantáneamente (de ahí el nombre). Estos instantones se denominan efectos “virtuales”, si
bien son muy reales y llevan a efectos físicos observables, cuya magnitud está suprimida por la
pequeña probabilidad P de la aparición de un instantón.
Los investigadores del IFT proponen que en determinados modelos de cuerdas existen
instantones con la propiedad de que sólo los neutrinos dextrógiros son sensibles a ellos. Los
neutrinos dextrógiros son por tanto las únicas partículas que, al propagarse, "tropiezan" con las
fluctuaciones instantónicas del vacío. El efecto neto de estos tropiezos es producir una
resistencia al avance de los neutrinos dextrógiros, una inercia, es decir una masa. El valor de
esta masa es la masa MS multiplicada por la probabilidad P del proceso instantónico. Este
último factor sería precisamente el requerido para que la masa de los neutrinos dextrógiros
tenga un valor suprimido respecto de la escala MS, y se encuentre en el rango requerido para el
mecanismo seesaw descrito anterioremente.
La realización de este mecanismo en la Naturaleza proporcionaría una fascinante conexión
entre la diminuta masa de los neutrinos y las fantásticamente gigantescas escalas de masas en
las que se produce la unificación de todas las partículas e interacciones.
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