El nuevo resultado de la colaboración KATRIN limita aún más la masa de los neutrinos. Es un resultado muy sólido, tanto por el cuidado análisis que se ha hecho de los datos experimentales como por el método empleado, a saber, el análisis del espectro energético en la desintegración del tritio, que necesita de muy pocas hipótesis auxiliares. Es probable que KATRIN se acerque a finales de 2025 a los 0,3 eV de sensibilidad pero, por desgracia, allí acabará su alcance. 

El interés del resultado puede parecer relativo, ya que los datos combinados de distintos experimentos cosmológicos parecen indicar que la suma de las masas de los neutrinos tiene que ser, al menos, casi diez veces inferior (0,05 eV), pero el método utilizado por KATRIN es mucho más directo y ‘menos dependiente de modelo’, en la jerga de los físicos. 

Saber de forma exacta la masa de los neutrinos nos dará nuevas pistas sobre qué teoría hay más allá del Modelo Estándar de la Física de Partículas. Así, por ejemplo, una hipótesis conocida como el mecanismo del balancín, liga de forma directa su minúscula masa con fenómenos físicos a muy alta energía, lo que hace de los neutrinos un portal a la tan ansiada ‘Nueva Física'.

El experimento subterráneo KATRIN reporta un nuevo límite superior en la masa del neutrino electrónico (en la naturaleza existen tres familias de neutrinos: electrón, muon y tau; el experimento Katrin solo es sensible a medir la masa del primero) de 0,45eV. Para las tres familias de neutrinos el límite total es de < 1,35eV. Este es un resultado interesante ya que acerca el límite para la masa total de los neutrinos medido en el laboratorio a los resultados en cosmología. En cosmología llevamos décadas midiendo la masa total de las tres familias de neutrinos usando su efecto en el crecimiento de las estructuras del universo. Este es un método distinto al de KATRIN y complementario. Recientemente, el experimento DESI ha reportado limites de la masa total de los tres neutrinos de < 0.064 eV, lo cual es un factor 21 más pequeño que el límite medido por KATRIN. Aun así, el experimento KATRIN explora una vía completamente distinta al de la cosmología y por eso su resultado es tan relevante, ya que acerca el límite medido en el laboratorio al de la cosmología. Si uno es más conservador en cosmología y quiere relajar sus asunciones, entonces el límite superior es de < 0,16 eV que aun así es un factor 8 más pequeño que el de KATRIN. 

Lo que esto nos indica es que, por el momento, no hay sorpresas: los límites de KATRIN son compatibles con los más restringentes de la cosmología y, por lo tanto, no hay lugar para física exótica que implicaría que los neutrinos en el cosmos se comportan de manera distinta que en la Tierra. Desafortunadamente, KATRIN en su medida final solo llegará al límite de < 0,9 eV y se quedará lejos de los limites cosmológicos. Sin embargo, hay otros experimentos en la Tierra que nos pueden acercar muy pronto a entender mejor la naturaleza de los neutrinos y sus masas. Estos son el experimento NEXT, el cual está ubicado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc de autoría española, y el experimento HyperKamionkande en Japón, donde el Laboratorio Subterráneo de Canfranc juega un papel crucial.  

Los experimentos subterráneos en conjunción con la cosmología nos van a acercar a descubrir la naturaleza de los neutrinos en los próximos cinco años y así entender la naturaleza misma, y por qué hay materia en el universo y no solo radiación. Es en este contexto que hay que enmarcar la relevancia de los resultados de KATRIN.

El neutrino es una partícula elemental extremadamente ligera sin carga eléctrica que interactúa muy débilmente con la materia ordinaria, lo que dificulta tremendamente su detección. A pesar de ello, desempeña un papel crucial en fenómenos astrofísicos y cosmológicos y su estudio ofrece mucha información sobre física más allá del Modelo Estándar, la teoría de física de partículas confirmada experimentalmente más completa de la que disponemos en la actualidad. La predicción teórica de que los neutrinos podrían oscilar entre distintos tipos o ‘sabores’ (neutrino electrónico, muónico o taónico) —un fenómeno que podría explicarse únicamente si estos poseen masa— fue confirmada experimentalmente por las colaboraciones experimentales Super-Kamiokande y SNO, que fueron reconocidas con el Premio Nobel de Física en 2015 para Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald. 

Aunque los experimentos de oscilaciones de neutrinos permiten medir las diferencias entre las masas al cuadrado de los distintos sabores de neutrinos, no permiten un estudio directo de la escala absoluta de la masa de estos. En este sentido, únicamente la combinación de diversas observaciones cosmológicas permite establecer un límite superior en la suma de las masas de todos los neutrinos en el marco de la cosmología estándar. Motivados por esta limitación, desde los años 90, la medición directa de la masa del neutrino también se ha intentado mediante experimentos en la Tierra que estudian la desintegración de núcleos atómicos, especialmente del tritio. Este es el caso de los experimentos pioneros de Mainz, Troitsk y, más recientemente, KATRIN. 

En este artículo, KATRIN presenta sus últimos resultados en la medición de la masa efectiva del antineutrino electrónico (la antipartícula del neutrino electrónico, que tendrá su misma masa) mediante la reconstrucción integral de la desintegración beta del tritio, una de las de menor energía. 

En esta desintegración, un neutrón se transforma en un protón, emitiendo un electrón y un antineutrino cuya energía conjunta es de 18,6 keV (kiloelectronvoltios). Al medir con gran precisión la energía del electrón, KATRIN infiere, gracias al principio de conservación, la cantidad de energía que porta el antineutrino. La masa de los neutrinos modificaría la distribución de energías de estas partículas. En concreto, la energía máxima que pueden alcanzar los electrones (la denominada cola del espectro de desintegración) se reduciría ligeramente con respecto a la que alcanzarían si los neutrinos no tuvieran masa. Este efecto es extremadamente sutil y, de hecho, no ha sido observado directamente, lo que impide obtener una medida exacta de la masa de los neutrinos y solo permite establecer cotas superiores. 

Tras 259 días de mediciones de más de 36 millones de electrones, KATRIN combina los resultados de cinco periodos de tomas de datos para para establecer un límite superior en la masa del neutrino de 0,45 eV (menos de una millonésima parte de la masa del electrón), reduciendo en un factor 2 su propio límite publicado anteriormente. La colaboración pretende mejorar aún más este resultado al completar los 1.000 días de toma de datos planeados. El artículo explica con detalle las características técnicas del experimento, así como el manejo minucioso de las incertidumbres estadísticas y sistemáticas para lograr derivar el límite. 

En conclusión, aunque no introduce ideas radicalmente nuevas con respecto a publicaciones previas, KATRIN refina la precisión del método y, aumentando el tiempo de medición, consigue mejorar sus resultados y continúa el camino para alcanzar la determinación de un parámetro fundamental en física de partículas como es la masa de los neutrinos.