¿La masa de los neutrinos proviene de la materia oscura? Un nuevo estudio lo cuestiona

Un grupo de físicos explora una hipótesis audaz: que la masa de los neutrinos no es intrínseca, sino inducida por su interacción con la materia oscura. Los resultados, sin embargo, lanzan un jarro de agua fría sobre esta atractiva idea.

Por Enrique Coperías

Ilustración de neutrinos viajando sobre un mar de ondas cósmicas: una representación artística del posible vínculo entre estas partículas y la materia oscura. El campo vibrante simboliza la hipótesis de una masa variable inducida por oscilaciones invisibles en el universo.

En el mundo subatómico, pocas partículas son tan esquivas y enigmáticas como los neutrinos. Estos fantasmas cuánticos apenas interactúan con la materia, y durante mucho tiempo se pensó que carecían de masa. Sin embargo, la observación de sus oscilaciones —la transformación espontánea de un tipo de neutrino en otro mientras viajan— cambió el paradigma. Ahora sabemos que tienen masa, aunque desconozcamos aún por qué.

Una posibilidad sugerente, pero hasta ahora poco contrastada con los datos, es que los neutrinos obtengan su masa de la materia oscura, esa componente invisible del universo que constituye más del 80% de la materia total y cuya naturaleza sigue siendo uno de los grandes misterios de la física moderna.

En un artículo publicado en la revista Physical Review Letters, los investigadores Andrew Cheek y Hong-Yi Zhang, de la Shanghai Jiao Tong University, en Shanghái; y Luca Visinelli, de la Università degli Studi di Salerno, en Italia, ponen a prueba esta hipótesis con unas herramientas poderosas: los experimentos de oscilación de neutrinos.

Los resultados no son halagüeños para la teoría. Según el estudio, la explicación que vincula la masa de los neutrinos con interacciones con la materia oscura ultraligera entra en conflicto con los datos experimentales de forma significativa. En algunos rangos de masa de la materia oscura, las discrepancias alcanzan un nivel estadístico superior a cinco desviaciones estándar, el umbral habitual para descartar una hipótesis en física de partículas.

La conexión cósmica entre neutrinos y materia oscura

La idea detrás de esta propuesta es, en cierto modo, elegante: dos de los mayores enigmas de la física moderna —el origen de la masa de los neutrinos y la naturaleza de la materia oscura— podrían tener una raíz común. ¿Y si los neutrinos interactúan con un campo escalar asociado a la materia oscura? ¿Y si esas interacciones generan su masa?

Este modelo plantea que los neutrinos no tendrían una masa constante, sino que esta dependería de la cantidad de materia oscura presente en el entorno por donde se mueven. Como ese entorno cambia tanto en el espacio como en el tiempo, la masa de los neutrinos también lo haría.

De ser así, las diferencias de masa entre los distintos tipos de neutrinos, que son las que hacen posible que cambien de identidad mientras viajan, también variarían. Como resultado, las probabilidades de que un neutrino se transforme en otro tipo —electrónico, muónico o tauónico— se verían modificadas respecto a lo que predice el modelo estándar.

En concreto, los autores estudian una forma especial de materia oscura formada por partículas extremadamente ligeras, con masas menores a 10⁻¹⁴ electronvoltios. Debido a que estas partículas son tan numerosas y se mueven muy lentamente, no se comportan como objetos individuales, sino como un campo que vibra suavemente a lo largo del espacio.

Dicha vibración genera un patrón oscilante que, según la hipótesis, haría que la masa de los neutrinos aumente y disminuya de forma periódica con el tiempo. Ese vaivén sutil podría provocar alteraciones en los patrones de oscilación de los neutrinos, y por tanto ser detectable en experimentos diseñados para observar cómo los neutrinos cambian de tipo al propagarse.

El experimento JUNO, situado a 700 metros bajo tierra en Jiangmen, China, busca desentrañar el orden de masas de los neutrinos. Ubicado estratégicamente cerca de las centrales nucleares de Yangjiang y Taishan, capta antineutrinos con alta sensibilidad. Su misión es medir con precisión las oscilaciones que permiten a estas partículas cambiar de identidad en pleno viaje. en la imagen, su detector. Cortesía: IHEP

El reloj de la materia oscura

Para visualizar este fenómeno, los investigadores utilizan una analogía con relojes cósmicos: si la masa de los neutrinos depende del campo oscilante de materia oscura, entonces este actuaría como un metrónomo que modula la frecuencia de oscilación de los neutrinos en el espacio-tiempo.

La oscilación de un neutrino de un tipo a otro se basa en diferencias de masa al cuadrado entre sus estados propios. Si estas diferencias se modifican en función de la densidad de materia oscura a lo largo de su trayectoria —o en el tiempo que tarda en propagarse—, entonces las probabilidades de detección también cambiarían de forma específica.

Esta modulación, explican los autores, se vuelve más compleja cuando se tiene en cuenta que la materia oscura no está distribuida de forma perfectamente homogénea. Fluctuaciones locales —incluso pequeñas— podrían provocar una pérdida de coherencia en el patrón de oscilación, borrando las señales características del modelo propuesto.

La prueba del detector KamLAND

Para poner a prueba esta teoría, Cheek y sus colegas se apoyan en datos de diversos experimentos de oscilación de neutrinos, especialmente en el detector KamLAND, en Japón. KamLAND (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector) es un experimento de referencia que ha proporcionado mediciones precisas de la desaparición de antineutrinos electrónicos emitidos por reactores nucleares a larga distancia.

Utilizando un análisis estadístico riguroso, el equipo compara las predicciones del modelo de masa oscura, en el que la masa de los neutrinos depende del campo escalar oscilante, con las del modelo convencional de masas constantes. El resultado es claro: los datos de KamLAND favorecen fuertemente la hipótesis tradicional.

La diferencia de ajuste entre ambos modelos alcanza un nivel de significación de 4,5σ cuando se consideran únicamente los datos de KamLAND, y sube a 4,9σ cuando se añaden otros experimentos y restricciones solares. Dicho de otro modo, la hipótesis de que la masa de los neutrinos es inducida por su interacción con la materia oscura es incompatible con las observaciones actuales en al menos un 99,9999% de confianza estadística.

Una señal que se desdibuja

Uno de los puntos más reveladores del estudio es que, en los rangos donde la masa de la materia oscura es relativamente alta (mayor que 10⁻¹⁴ eV), el movimiento de la Tierra a través del halo galáctico de materia oscura introduce fluctuaciones tan fuertes en la densidad del campo que destruyen la coherencia del patrón de oscilaciones. Como resultado, la señal esperada se diluye, y las oscilaciones de neutrinos pierden su forma característica.

Incluso cuando la masa de la materia oscura es muy baja (por debajo de 10⁻¹⁷ eV), los efectos sobre los parámetros oscilatorios aún pueden ser detectables, pero en forma de variaciones temporales en escalas de días a décadas.

Este rango, según los autores, sigue abierto a la exploración y podría ser objetivo de experimentos como Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), que se espera pueda medir parámetros oscilatorios con una precisión inferior al 1% en apenas tres meses de funcionamiento.

Una balanza suspendida en el cosmos compara la materia oscura con un neutrino, evocando su hipotética conexión. La imagen simboliza el delicado equilibrio entre lo invisible y lo casi inmaterial en la física del universo. Imagen generada con DALL-E

La ciencia también avanza descartando ideas

Más allá del contenido técnico, el estudio ilustra un principio fundamental del progreso científico: no basta con proponer hipótesis elegantes; es necesario contrastarlas con los datos.

«Nuestro análisis demuestra que la explicación de la masa de los neutrinos mediante su interacción con materia oscura escalar ultraligera está fuertemente tensionada por los resultados del KamLAND y otros experimentos», escriben los autores.

No obstante, los investigadores no descartan por completo que la materia oscura influya en la física de los neutrinos. Señalan que todavía quedan escenarios posibles, como es el caso de las oscilaciones entre neutrinos Dirac y Majorana, o retrasos en la llegada de neutrinos de supernovas debido a campos oscilantes, que podrían explorarse en futuros experimentos.

Además, el análisis muestra cómo ciertas propiedades del campo de materia oscura, como su coherencia espacial, su distribución estadística y su escala de masa, pueden dejar huellas sutiles pero medibles en los experimentos de oscilación, lo que abre una ventana experimental inesperada para explorar este componente invisible del cosmos.

Una conclusión provisional

Como en muchos aspectos de la física contemporánea, las respuestas definitivas aún están lejos de materializarse. Pero el estudio de Cheek, Visinelli y Zhang representa un paso significativo: muestra que una conexión directa entre la masa de los neutrinos y la materia oscura, al menos en la forma considerada, no se sostiene frente a los datos actuales.

La buena noticia es que este descarte no cierra puertas, sino que abre otras. Las oscilaciones de neutrinos siguen siendo un laboratorio natural para poner a prueba ideas audaces sobre la naturaleza del universo. Y la materia oscura, por ahora esquiva, continúa siendo una invitación al asombro científico y a la perseverancia experimental. ▪️

• Fuente: Andrew Cheek, Luca Visinelli and Hong-Yi Zhang. Testing the Dark Origin of Neutrino Masses with Oscillation Experiments. Physical Review Letters (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/wyns-m4y5