Reescribe este título y borra la dirección web que aparece en élLas mediciones de neutrinos limitan las teorías de la gravedad cuántica

Los expertos utilizan más de 5.000 sensores ópticos para buscar el neutrino espectral. La partícula muy ligera y sin carga podría revelar información sobre uno de los misterios más apremiantes de la física: la naturaleza del universo y la naturaleza de la gravedad. En un artículo publicado en “Nature Physics” el 26 de marzo de 2024, los físicos describieron su enfoque y presentaron sus primeros resultados, que condicionan futuros modelos de gravedad cuántica.

Los investigadores llevan más de 100 años buscando una teoría cuántica de la gravedad. Las tres fuerzas fundamentales restantes, la electromagnética y las dos nucleares, siguen las extrañas reglas de la física cuántica. Para situar las cuatro interacciones fundamentales sobre una base común, lo más probable es que necesitemos una teoría de la gravedad cuántica. Aún es incierto cómo podría ser esa teoría. Aunque ya existen varios enfoques, como la teoría de cuerdas o la gravedad cuántica de bucles, cada idea presenta problemas complejos que son difíciles de superar.

Una dificultad importante es que hay poca evidencia experimental para guiar una nueva teoría. La mayoría de los resultados de las mediciones físicas coinciden con los modelos existentes. Para encontrar situaciones en las que se necesitara una teoría de la gravedad cuántica, habría que viajar cerca de un agujero negro o estudiar el universo inmediatamente después del Big Bang. Incluso los experimentos de laboratorio diseñados para replicar situaciones similares todavía están fuera de alcance.

Pero también se pueden buscar rastros indirectos de gravedad cuántica, como hicieron los investigadores del Observatorio de Neutrinos IceCube. En este caso, la forma espectral del neutrino les resulta ventajosa: como la partícula elemental no tiene carga y es muy ligera, apenas interactúa con el entorno que la rodea. Puede moverse prácticamente sin perturbaciones a través del espacio, las galaxias o incluso la Tierra. Sin embargo, si el espacio-tiempo, como todas las demás teorías cuánticas, estuviera expuesto a fluctuaciones físicas cuánticas, esto dejaría huellas en el comportamiento de los neutrinos.

Buscando comportamiento inusual

Aunque habitualmente hablamos de un solo neutrino, en rigor hay tres partículas elementales: hay neutrinos electrónicos, tau y muónicos. Y a medida que una partícula fantasmal se mueve por el espacio, oscila entre estos tres estados, aunque de acuerdo con reglas fijas impuestas por la física cuántica. Sin embargo, si los neutrinos interactuaran con las fluctuaciones del espacio-tiempo, como sugieren las teorías de la gravedad cuántica, entonces habría irregularidades en estas fluctuaciones.

Los equipos de investigación buscaron este tipo de irregularidades en el detector IceCube. Las primeras mediciones fueron una especie de prueba para configurar correctamente el experimento. Las mayores desviaciones del comportamiento esperado deberían ser visibles en los neutrinos que llegan hasta nosotros desde el espacio profundo y que, por tanto, ya han tenido suficiente tiempo para interactuar con el espacio-tiempo. Sin embargo, la cantidad de estos neutrinos en la Tierra es limitada. Por eso los investigadores observaron por primera vez los neutrinos que se forman en la atmósfera norte de la Tierra debido a la radiación cósmica. Estos viajan prácticamente sin perturbaciones a través de nuestro planeta hasta el detector IceCube en el Polo Sur. La corteza y el núcleo de la Tierra protegen todos los demás tipos de partículas y sólo dejan pasar a los neutrinos ligeros.

Hasta el momento, los expertos no han encontrado evidencia de irregularidades en el comportamiento de los neutrinos. Esto les permitió limitar significativamente la fuerza con la que la posible gravedad cuántica interactúa con los neutrinos. Su objetivo ahora es ampliar las mediciones a “neutrinos astrofísicos” que provienen de las profundidades del universo. El físico Tom Stuttard del Instituto Niels Bohr de Copenhague, que participó en el estudio, se muestra optimista: “Durante años, muchos físicos dudaron de que los experimentos pudieran alguna vez probar la gravedad cuántica. Nuestro análisis muestra que esto es realmente posible. A través de futuras mediciones con neutrinos astrofísicos y detectores más precisos que se construirán en la próxima década, esperamos responder finalmente a esta pregunta fundamental».