¿Puede un neutrino ser su propia antipartícula?
La materia tiene antimateria. La antipartícula del electrón es el positrón: tienen la misma masa pero cargas opuestas. También existe el antiprotón. Sin embargo, una antipartícula no tiene por qué distinguirse por una carga eléctrica inversa. El neutrón, pese a ser eléctricamente neutro, tiene una antipartícula distinta: el antineutrón.
¿Qué ocurre, entonces, con los neutrinos, que tampoco tienen carga eléctrica? Hay dos posibilidades. Si neutrinos y antineutrinos son partículas distintas, como el neutrón y el antineutrón, hablamos de neutrinos de Dirac. Si cada neutrino es su propia antipartícula, serían neutrinos de Majorana. Todavía no sabemos cuál de estas descripciones corresponde a la naturaleza.
Una vía para investigarlo es la desintegración doble beta. En ciertos núcleos, dos neutrones se convierten en dos protones y liberan dos electrones junto con dos antineutrinos electrónicos. Pero si se detectaran los dos electrones sin neutrinos en el estado final, se habría encontrado la llamada desintegración doble beta sin neutrinos (0νββ).
Esto no significa que dos antineutrinos salgan del núcleo, se encuentren fuera y se aniquilen. Según el mecanismo más estudiado, dos interacciones débiles en el interior del núcleo se conectan mediante el intercambio de un neutrino virtual de Majorana. Si existe un componente de masa de Majorana, pueden quedar solo dos electrones como partículas finales.1
El descubrimiento de 0νββ demostraría que los neutrinos poseen un componente de masa de Majorana. Pero esta desintegración todavía no se ha observado de manera concluyente. Si ocurre, debe ser extraordinariamente rara.
Cómo buscar una desintegración con una semivida de 10²⁶ años
Uno de los isótopos candidatos es el xenón-136 (¹³⁶Xe). Los experimentos no han encontrado su señal de 0νββ. Los límites actuales indican que, si el proceso existe, su período de semidesintegración supera ampliamente los 10²⁶ años.2
Es muchísimo más que la edad del universo. Eso no quiere decir que haya que observar un solo núcleo durante tanto tiempo. Centenares de kilogramos de xenón-136 contienen alrededor de 10²⁷ núcleos. La probabilidad de que uno solo se desintegre en pocos años es ínfima; vigilar simultáneamente una cantidad inmensa puede permitir detectar algún suceso rarísimo.
Tampoco basta con disponer de muchos núcleos. Como en 0νββ ningún neutrino escapa llevando energía, la suma de las energías de los dos electrones se concentraría alrededor de un valor definido. Ese estrecho intervalo es donde se busca la señal. Por desgracia, la radiactividad natural y los rayos cósmicos pueden imitar un suceso de interés. Por eso se instalan detectores a gran profundidad, se utilizan materiales con muy poca contaminación radiactiva y se requieren medidas energéticas precisas y una estricta selección de sucesos.
Reunir muchos núcleos, medir con precisión y eliminar señales falsas.
Es difícil optimizar las tres cosas en un solo aparato. Una técnica que permite albergar grandes masas de material no siempre proporciona la mejor resolución energética; un detector que reconstruye detalladamente las trayectorias puede resultar difícil de ampliar. Por eso distintos equipos construyen instrumentos distintos para buscar la misma desintegración.
Tres detectores con el mismo isótopo de xenón
Las diferencias aparecen incluso si solo consideramos ¹³⁶Xe. KamLAND-Zen disuelve xenón enriquecido en un centelleador líquido, una sustancia que emite luz cuando las partículas depositan energía. Un recipiente grande puede contener mucha cantidad de esa mezcla. Su análisis más reciente empleó 745 kg de xenón enriquecido, sin encontrar todavía la desintegración buscada.2
NEXT utiliza el mismo xenón como gas a alta presión. El gas es menos denso que un líquido y precisa un volumen mayor para contener la misma cantidad, pero permite observar las trazas de los electrones. En un suceso 0νββ, dos electrones saldrían de un mismo punto. NEXT aprovecha tanto la energía como las características de las trazas para rechazar sucesos de fondo. Los resultados de calibración del detector NEXT-100 publicados en 2026, extrapolados a la energía de esta desintegración, permiten prever una resolución mejor que el 1 %.3
nEXO propone otra solución: ampliar a varias toneladas la cantidad de xenón líquido enriquecido en ¹³⁶Xe y reconstruir la energía y la posición de los sucesos mediante luz de centelleo y carga de ionización.3 Con el mismo isótopo, KamLAND-Zen mide principalmente la luz del centelleador líquido cargado con xenón, NEXT estudia las trazas en gas y nEXO pretende combinar luz, carga y posición en un gran volumen de xenón líquido.
Cuánto material reunir, con qué precisión medir y cuánta información extraer de cada suceso: esas decisiones llevan a diseños diferentes. Y la diversidad de opciones no termina con el xenón.
Cambiar de núcleo también cambia el experimento
LEGEND utiliza germanio-76 (⁷⁶Ge). El propio cristal de germanio funciona a la vez como fuente de los núcleos que podrían desintegrarse y como detector semiconductor que mide directamente la energía. Esto permite una gran resolución energética. LEGEND-200 ya ha tomado datos, y sus primeros resultados de 2026 tampoco encontraron una señal.4
CUORE emplea cristales que contienen telurio-130 (¹³⁰Te), enfriados a temperaturas extremadamente bajas para medir el minúsculo aumento de temperatura provocado por el depósito de energía. CUPID y AMoRE desarrollan detectores criogénicos con molibdeno-100 (¹⁰⁰Mo), capaces de medir simultáneamente calor y luz. AMoRE-II, proyectado en el laboratorio subterráneo de Yemilab, en Corea, es uno de ellos.5
Ningún isótopo es el mejor en todos los aspectos. Varían su disponibilidad, los materiales que pueden fabricarse con él y las técnicas de detección que se pueden aplicar. Unos diseños destacan por medir la energía, otros por identificar mejor los fondos. Sin embargo, la necesidad de usar diferentes núcleos no se limita a cuestiones de ingeniería.
El límite de semivida más largo no significa ir a la cabeza
KamLAND-Zen estableció para ¹³⁶Xe una semivida de 0νββ superior a 3,8×10²⁶ años. El resultado combinado de LEGEND-200 y experimentos anteriores, GERDA y MAJORANA DEMONSTRATOR, sitúa el límite de ⁷⁶Ge en 1,9×10²⁶ años.2 4 Los números podrían sugerir que el experimento con xenón va dos veces por delante, pero no es una comparación válida.
Cada núcleo tiene una energía disponible distinta para la desintegración y una estructura cuántica diferente de protones y neutrones. Por tanto, incluso si los neutrinos poseen las mismas propiedades físicas, la probabilidad de que ocurra el proceso puede variar según el isótopo. Los efectos de esa estructura nuclear se describen mediante elementos de matriz nuclear, o nuclear matrix elements.6
Estos elementos de matriz no se miden directamente en el detector: se calculan utilizando modelos complejos de la estructura nuclear y distintos métodos pueden dar valores diferentes. Suponiendo que predomina el intercambio de neutrinos ligeros de Majorana, convertir un límite de semivida en un límite de masa no produce un valor único y exacto, sino un intervalo dependiente de esos cálculos. Incluso los mismos datos de KamLAND-Zen permiten distintos límites de masa según el elemento de matriz utilizado.2
Por eso no se puede elaborar una clasificación de experimentos ordenando, sin más, los límites de semivida de isótopos distintos. Hay una razón más profunda para estudiar varios núcleos.
Mientras no exista un descubrimiento, cada combinación de núcleo y tecnología tiene puntos débiles distintos que pueden complementarse. Un experimento con grandes masas de xenón y otro que mide con precisión la energía en germanio presentan fondos diferentes; también difieren los cálculos nucleares necesarios para traducir un resultado en una restricción sobre la masa del neutrino. Considerar varios resultados negativos ayuda a no depender exclusivamente de un detector, aunque no hace desaparecer las incertidumbres teóricas.6
Si algún día se observa una señal compatible con 0νββ en ¹³⁶Xe, se podrá examinar si los experimentos con ⁷⁶Ge o ¹³⁰Te, con suficiente sensibilidad, ven las tasas previstas para sus núcleos. Obtener conclusiones compatibles mediante instrumentos e isótopos independientes reduciría la posibilidad de que la primera señal fuera un fondo propio del aparato o un ruido inesperado. Un resultado nulo en un detector sin sensibilidad suficiente no descartaría automáticamente el primer indicio.
Incluso se podría avanzar más. Se han propuesto distintos mecanismos físicos capaces de causar 0νββ. Cada uno puede implicar relaciones distintas entre las tasas de desintegración de los diversos núcleos. Si se midieran realmente semividas en varios isótopos, esas relaciones podrían ayudar a limitar qué mecanismo está actuando. Pero la capacidad de distinguirlos dependería de los cálculos nucleares, de sus incertidumbres y correlaciones, y de los modelos considerados. Varias medidas no identificarían por sí solas un mecanismo único.6
Los experimentos no repiten exactamente lo mismo: antes del descubrimiento se complementan; después, pueden servir para confirmar el resultado de forma independiente.
JUNO podría sumarse a la búsqueda
El trabajo principal de JUNO en la actualidad no es buscar 0νββ. Su objetivo es medir con precisión las oscilaciones de antineutrinos electrónicos provenientes de reactores y estudiar, entre otras cuestiones, el orden de masas de los neutrinos.
Sin embargo, también se ha investigado cómo aprovechar en el futuro este gran instrumento para otros estudios. Una propuesta consiste en instalar un recipiente separado en su zona central y llenarlo de centelleador líquido con xenón-136 enriquecido. Así dejaría de tratarse de detectar antineutrinos emitidos por reactores y se buscarían desintegraciones extraordinariamente raras en los núcleos del recipiente.7
Las aproximadamente 20.000 toneladas de centelleador que JUNO contiene hoy no son 20.000 toneladas de material destinado a doble beta. Todavía no se han fijado ni la cantidad de isótopo que se utilizaría, ni las modificaciones exactas, ni una fecha de puesta en marcha. KamLAND-Zen y LEGEND ya han acumulado datos; NEXT estudia xenón mediante otro principio de detección; nEXO y otros proyectos se preparan para la siguiente generación.
Si algún día JUNO participa en esta investigación, un gran observatorio construido para estudiar el orden de masas comenzará a abordar otra pregunta que investigadores de todo el mundo persiguen con diferentes núcleos. Hoy pregunta cómo se ordenan los tres estados de masa; después quedará otra cuestión aún más fundamental.
¿Son el neutrino y el antineutrino partículas verdaderamente distintas?
Notas
1. ¿Qué sucede con el neutrino en 0νββ? No se trata de la aniquilación de dos antineutrinos después de salir del núcleo. En el mecanismo representativo de intercambio de neutrinos ligeros de Majorana, un neutrino virtual conecta dos interacciones débiles dentro del núcleo. Existen otros mecanismos. El teorema de la caja negra de Schechter–Valle implica que descubrir 0νββ conllevaría un componente de masa de Majorana, sin demostrar que predomine el intercambio de neutrinos ligeros. J. Schechter y J. W. F. Valle, Physical Review D 25, 2951 (1982), trabajo original · M. Agostini et al., Reviews of Modern Physics 95, 025002 (2023), revisión.
2. KamLAND-Zen. El análisis completo de KamLAND-Zen 800 empleó 745 kg de xenón enriquecido y una exposición de 2,1 toneladas·año de ¹³⁶Xe. Combinado con resultados anteriores, no detectó señal y estableció un límite inferior de semivida de 3,8×10²⁶ años al 90 % de confianza. Bajo las hipótesis de intercambio de neutrinos ligeros de Majorana y gA≈1,27, el límite superior de la masa efectiva de Majorana es de 28–122 meV según el cálculo nuclear; no es una medida directa de un estado de masa. S. Abe et al., Physical Review Letters 135, 262501 (2025), artículo · versión abierta.
3. NEXT y nEXO. La resolución de NEXT-100 en el fotopico de 2615 keV de ²⁰⁸Tl fue (0,90±0,02) % FWHM. Extrapolarla a Qββ=2458 keV del ¹³⁶Xe da (0,93±0,02) % FWHM: no es la medición de una señal de 0νββ. nEXO proyecta alrededor de 5.000 kg de xenón líquido en total, enriquecido hasta aproximadamente un 90 % en ¹³⁶Xe. No equivale a 5 toneladas de ¹³⁶Xe puro. NEXT Collaboration, European Physical Journal C 86, 1057 (2026), artículo · nEXO Collaboration, informe de diseño · web del proyecto.
4. LEGEND-200. Emplea detectores semiconductores de germanio-76 de alta pureza y enriquecimiento isotópico, rodeados de argón líquido de bajo fondo. Su primer conjunto de datos comprende 61,0 kg·año. El límite inferior de semivida de 1,9×10²⁶ años al 90 % de confianza procede del resultado combinado con GERDA y MAJORANA DEMONSTRATOR; no corresponde a LEGEND-200 por sí solo. H. Acharya et al., Physical Review Letters 136, 022701 (2026), texto de acceso abierto.
5. Experimentos con telurio y molibdeno. CUORE mide el calor en cristales de TeO₂ con ¹³⁰Te a temperatura criogénica. El diseño de CUPID de 2025 prevé 1.596 cristales centelleadores Li₂MoO₄ enriquecidos en ¹⁰⁰Mo que registran calor y luz. AMoRE-II también está previsto en el laboratorio coreano Yemilab, con cristales de molibdato y señales térmicas y ópticas. No deben confundirse los proyectos en construcción con las búsquedas ya realizadas. CUORE Collaboration, Science 390, 1029–1032 (2025), artículo · CUPID Collaboration, EPJC 85, 737 (2025), diseño · AMoRE Collaboration, estudio de sensibilidad.
6. Complementariedad, confirmación y mecanismo en varios isótopos. Si predomina el intercambio de neutrinos ligeros de Majorana, la tasa inversa de semivida depende de un factor de espacio de fases específico del isótopo, del elemento de matriz nuclear al cuadrado y de la masa efectiva de Majorana al cuadrado. Existen incertidumbres y correlaciones entre los cálculos. Por ello, no es válido clasificar directamente los límites de semivida de varios isótopos, ni se eliminan las incertidumbres teóricas al combinarlos. Antes de un descubrimiento, la diversidad de fondos y materiales permite complementar restricciones; después, sucesos independientes pueden reforzar una observación, y sus tasas podrían limitar mecanismos bajo hipótesis específicas. T. Shickele et al., Physical Review D 114, 013007 (2026), artículo · M. Agostini, F. F. Deppisch y G. Van Goffrier, JHEP 02, 172 (2023), artículo · K. Ishidoshiro, Physical Review D 114, 035047 (2026), estudio teórico.
7. Posible futura actualización de JUNO. Un estudio de 2017 propuso examinar un recipiente independiente en la zona central de JUNO con centelleador cargado con ¹³⁶Xe enriquecido. Los ejemplos de 5 y 50 toneladas corresponden a la masa del isótopo dentro del volumen útil, no a una carga de xenón ya instalada. JUNO comenzó la adquisición de datos el 26 de agosto de 2025 con su detector de centelleador líquido de alrededor de 20.000 toneladas, y una adaptación a la búsqueda de 0νββ sigue siendo una propuesta. J. Zhao et al., Chinese Physics C 41, 053001 (2017), artículo · manuscrito · comunicado oficial de JUNO.