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¿Puede algo que no es una fuerza física afectar la materia? En la física clásica, la respuesta sería no, porque si nada empuja un objeto, éste no tendría que moverse o cambiar su estado. Pero un estudio reciente en el que participó Catalina Espinoza, del Instituto de Física de la UNAM e Investigadora por México SECIHTI (Secretaría de Ciencia, Humanidades, Tecnología e Innovación), respalda la conocida idea de que el mundo cuántico sigue otras reglas y sugiere que una de ellas podría ser develada a través de unas partículas singulares que cambian de “sabor” o identidad: los neutrinos.

El hallazgo se reportó en abril de este año en la revista Physical Review Letters como “Flavor-Space Analog to the Aharonov-Bohm Effect for a Constant Scalar Matter Potential in Neutrino Flavor Interferometry”. Dicha investigación surgió de la creatividad del profesor José Bernabéu, investigador de la Universidad de Valencia, quien falleciera en septiembre pasado.

Aquello que podría influir en las partículas cuánticas son los potenciales, de acuerdo con una propuesta de los físicos teóricos Yakir Aharonov y David Bohm que surgió a finales de los años 50. Este fenómeno, conocido como efecto Aharonov-Bohm, sugería que una partícula puede verse afectada por un tipo de potencial del entorno incluso si no hay otra fuerza tocándola.

“En el caso del efecto Aharonov-Bohm, desde la perspectiva de la física clásica, los potenciales electromagnéticos no son cantidades físicas, pero tras el descubrimiento de la mecánica cuántica se ha verificado que dichos potenciales logran afectar a las partículas aun en ausencia de campos electromagnéticos. Esto llevó a dudar de la noción clásica de que los potenciales no existen físicamente”, explicó Espinoza. De acuerdo con la investigadora, el fenómeno Aharonov-Bohm ya ha sido medido con anterioridad pero nunca a través de la interferometría de neutrinos, unas partículas que suelen ser escurridizas porque cambian de “sabor” o de identidad mientras viajan de un lado a otro.

Aunque la principal fuente natural de neutrinos en nuestras cercanías es el Sol, el experimento analizado en el artículo se propone en un ambiente altamente controlado. La propuesta teórica del artículo se centra en los experimentos de neutrinos de larga base (LBNE, por sus siglas en inglés), específicamente en DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) que actualmente se encuentra en construcción.

A diferencia de los neutrinos solares, DUNE cuenta con dos detectores de neutrinos ubicados en el haz más intenso del mundo, uno se encuentra en Illinois, Estados Unidos, y el otro en Dakota del Sur, de acuerdo con su página oficial. A lo largo de esos 1,300 km de distancia, los neutrinos oscilan o cambian constantemente entre sus tres tipos o “sabores”: muónico, tauónico y electrónico (asociados al muón, al tau y al electrón).

“Es un hecho bien conocido que los neutrinos oscilan entre ellos, esto quiere decir que hay una cierta probabilidad de que algún neutrino que se crea en un estado de sabor definido, se transmute -por decirlo de alguna manera- en un estado de sabor diferente. Por ejemplo, en una fuente de neutrinos que los produce en estado de sabor electrónico, estos neutrinos al propagarse en el espacio tienen cierta probabilidad de transformarse en otro estado de sabor, ya sea neutrino del muón o neutrino del tau”, explica Espinoza.

Este cambio de identidad es clave porque la Tierra actúa como un filtro selectivo para los neutrinos. Es decir, solo aquellos que adopten el sabor electrónico podrán interactuar con la materia que atraviesan, y el resto pasarán sin ser detectados. “Los neutrinos del muón y del tau, en las condiciones de propagación que se dan en experimentos como DUNE, no interaccionan con la materia de la corteza terrestre ya que dicha interacción involucra la fuerza débil y se necesitaría que estos neutrinos fueran muy energéticos, cosa que no ocurre en este tipo de experimentos”, agrega.

De acuerdo con la investigadora, este fenómeno sucede porque los neutrinos viajan como una mezcla de diferentes estados fundamentales de masa, un concepto conocido en la física como superposición. Esto permite que se comporten como ondas que pueden interferir entre sí, y al viajar como una combinación de éstas, los diferentes pesos en la superposición cambian dinámicamente de acuerdo con las ecuaciones cuánticas y en algún momento las probabilidades son tales que la parte del haz que adopta el sabor electrónico adquiere una fase cuántica al interaccionar con la Tierra, creando la oportunidad de medir el efecto Aharonov-Bohm cuando el haz alcanza el detector lejano, el cual funciona como interferómetro.

“Esta probabilidad depende de la distancia recorrida por el neutrino, pero se puede calcular de manera muy precisa, y resulta ser pequeña para el caso de un experimento tipo DUNE. Esto significa que la mayoría de los neutrinos producidos en la fuente no cambiarán su estado y no interaccionarán con la corteza, sino que llegarán al detector siendo lo que llamamos un estado principalmente muónico –estrictamente también puede ser principalmente tauónico ya que la probabilidad de transición muónico-tauónico puede llegar a ser significativa– pero lo importante es que no interaccionan con la materia terrestre”, explica la investigadora.

También aclara que una vez que los neutrinos transmutan al sabor electrónico, la probabilidad de que vuelvan a cambiar es tan baja que llegarán en ese mismo estado al detector. Y es precisamente el momento en que los neutrinos electrónicos interaccionan con la materia cuando experimentan un cambio en su superposición cuántica. La corteza terrestre induce una fase cuántica provocada por el potencial de la materia.

“Así es como surge la conexión con la variante eléctrica del efecto Aharonov-Bohm: hay dos trayectorias diferentes en un interferómetro efectivo en espacio de sabor de los neutrinos, pero solo una de ellas es afectada por un potencial, y la fase cuántica inducida por dicho potencial se puede dictaminar de los efectos de interferencia en un detector al final de la propagación. Este es el punto central del trabajo y es como se logra establecer una analogía en espacio de sabor de neutrinos del Efecto Aharonov-Bohm”, asegura Espinoza.

A diferencia de la física clásica, este potencial no empuja físicamente a las partículas, sino que altera su ritmo interno. Al final del trayecto, la diferencia entre los neutrinos que adquirieron esta fase y los que no, genera un patrón de interferencia en el detector.

Este resultado no solo demuestra de forma directa que los potenciales cuánticos existen, sino que dotará al experimento DUNE de una herramienta única alternativa para descifrar, en un mismo experimento, misterios más complejos como conocer el ordenamiento de las masas de los neutrinos y la contribución de los leptones a la asimetría entre materia y antimateria del Universo.

Para Catalina Espinoza, este trabajo realizado en colaboración con José Bernabéu, quien fuera su mentor durante el doctorado, representa más que un hito académico; es un homenaje a la memoria y a la labor incansable de quien fuera autoridad internacional en la física. Tras haberse formado bajo su tutela, Espinoza ve en este artículo la culminación de un esfuerzo conjunto que espera trascienda de la teoría a la ejecución del experimento, para ayudar a esclarecer los misterios fundamentales de la materia.

Crédito: IFUNAM