Un nuevo estudio en el KM3NeT revela límites más estrictos sobre la gravedad cuántica

La gravedad cuántica representa el eslabón perdido entre la relatividad general y la mecánica cuántica; es la clave aún no descubierta para una teoría unificada capaz de explicar tanto lo infinitamente grande como lo infinitamente pequeño. La solución a este enigma podría residir en los humildes neutrinos, partículas elementales sin carga eléctrica y casi invisibles, que raramente interactúan con la materia, atravesando todo a su paso sin causar efectos visibles.

Debido a esta escasa interacción, los neutrinos son difíciles de detectar. Sin embargo, en raras ocasiones, un neutrino puede interactuar, por ejemplo, con moléculas de agua en el fondo del mar. Las partículas emitidas durante esta interacción producen un «brillo azul» conocido como radiación Čerenkov, que puede ser detectado por instrumentos como el KM3NeT.

El KM3NeT (Telescopio de Neutrinos de Kilómetro Cúbico) es un gran observatorio submarino diseñado para detectar neutrinos a través de sus interacciones en el agua. Está dividido en dos detectores, uno de los cuales, ORCA (Investigación de Oscilaciones con Cósmicos en el Abismo), fue utilizado para esta investigación. Se encuentra frente a la costa de Toulon, Francia, a una profundidad de aproximadamente 2.450 metros.

La búsqueda de señales de decoherencia

Sin embargo, observar neutrinos no es suficiente para extraer conclusiones sobre las propiedades de la gravedad cuántica; también es necesario buscar señales de «decoherencia». A medida que viajan por el espacio, los neutrinos pueden «oscilar», cambiando de identidad, un fenómeno que los científicos denominan oscilaciones de sabor. La coherencia es una propiedad fundamental de estas oscilaciones: un neutrino no tiene una masa definida, sino que existe como una superposición cuántica de tres estados de masa diferentes. La coherencia mantiene esta superposición bien definida, permitiendo que las oscilaciones ocurran de manera regular y predecible. Sin embargo, los efectos de la gravedad cuántica podrían atenuar o incluso suprimir estas oscilaciones, un fenómeno conocido como «decoherencia».

“Existen varias teorías de gravedad cuántica que predicen este efecto, ya que sugieren que el neutrino no es un sistema aislado. Puede interactuar con el entorno”, explica Nadja Lessing, física del Instituto de Física Corpuscular de la Universidad de Valencia y autora correspondiente de este estudio, que incluye contribuciones de cientos de investigadores de todo el mundo.

“Desde el punto de vista experimental, sabemos que la señal de esto sería observar oscilaciones de neutrinos suprimidas”. Esto ocurriría porque, durante su trayecto hacia nosotros —o más precisamente, hacia los sensores del KM3NeT en el fondo del Mediterráneo—, el neutrino podría interactuar con el entorno de una manera que altera o suprime sus oscilaciones.

Sin embargo, en el estudio de Lessing y sus colegas, los neutrinos analizados por el detector submarino KM3NeT/ORCA no mostraron signos de decoherencia, un resultado que proporciona valiosos conocimientos. “Esto”, explica Lessing, “significa que si la gravedad cuántica altera las oscilaciones de los neutrinos, lo hace con una intensidad por debajo de los límites de sensibilidad actuales”. El estudio ha establecido límites superiores sobre la fuerza de este efecto, que ahora son más estrictos que los establecidos por experimentos anteriores con neutrinos atmosféricos.

“Encontrar decoherencia en neutrinos sería algo muy importante”, afirma Lessing. Hasta el momento, nunca se ha observado evidencia directa de la gravedad cuántica, razón por la cual los experimentos con neutrinos están atrayendo cada vez más atención. “Ha habido un creciente interés en este tema. Las personas que investigan la gravedad cuántica están muy interesadas en esto porque probablemente no podrías explicar la decoherencia con otra cosa”.