Un experimento subterráneo busca el neutrino estéril, una partícula asociada con la materia oscura

Física

Varios experimentos realizados desde la década de 1990 para estudiar neutrinos encontraron algo realmente extraño: aparecían demasiadas partículas en los detectores. En física de partículas, incluso las pequeñas desviaciones de los resultados experimentales esperados entusiasman a los científicos. Ahora, un nuevo experimento realizado a gran profundidad, a más de dos kilómetros por debajo de las montañas del Cáucaso de Rusia, ha confirmado la anomalía vista anteriormente, apuntando hacia una nueva partícula elemental aún no confirmada llamada “neutrino estéril”. Es eso o nuestra física es defectuosa, por lo que estos resultados son increíblemente importantes, independientemente del resultado.

Ubicado a gran profundidad en el Observatorio de Neutrinos Baksan en las montañas del Cáucaso en Rusia, el objetivo de galio de dos zonas completado, a la izquierda, contiene un tanque interno y externo de galio, que es irradiado por una fuente de neutrinos electrónicos. Crédito: A.A. Shikhin

Neutrinos estériles en las profundidades subterráneas
Los neutrinos son las partículas más abundantes de la naturaleza, quizás solo superadas por los fotones, las partículas de luz. No puedes notarlos, pero están en todas partes. De hecho, cada segundo, alrededor de un billón de neutrinos pasan por tu mano. La mayoría de ellos se originan en el sol, mientras que otros se generan en la atmósfera superior cuando los gases son golpeados por los rayos cósmicos de las supernovas y otros eventos en el espacio.

Hay tres tipos conocidos, o sabores, de neutrinos: neutrinos de electrones, muones y tau. Pero muchos científicos creen que hay un cuarto sabor que persiste en las sombras, esperando el lugar que le corresponde con su familia de partículas. Tentativamente llamados neutrinos estériles, si existen, podrían ayudar a resolver algunos misterios persistentes en la física, como por qué los neutrinos tienen masa cuando, en teoría, deberían ser sin masa como los fotones. Los neutrinos estériles, llamados así porque se supone que interactúan con otras partículas únicamente a través de la gravedad, mientras que los otros tres sabores también lo hacen a través de la fuerza débil, también pueden explicar la naturaleza de la materia oscura, la materia invisible y esquiva que representa el 85% de toda la materia del universo, aunque no podamos medirla directamente.

Los investigadores afiliados al Experimento Baksan sobre Transiciones Estériles (BEST), que incluye a investigadores estadounidenses del Laboratorio Nacional de Los Álamos, utilizaron discos irradiados de cromo 51 (un radioisótopo sintético de cromo) y una poderosa fuente de neutrinos electrónicos para irradiar el interior y el exterior partes de un tanque hecho de galio. Como resultado de esta reacción, el experimento produjo el isótopo germanio 71.

Eso era totalmente esperado, pero lo anómalo fue que la tasa de producción fue un 20-24% más baja de lo que sugería la teoría. Se cree que la metodología del experimento es impecable y, además, la discrepancia está en el mismo estadio registrado por otros experimentos anteriores.

“Los resultados son muy emocionantes”, dijo Steve Elliott, analista principal de uno de los equipos que evalúan los datos y miembro de la división de Física de Los Alamos. “Esto definitivamente reafirma la anomalía que hemos visto en experimentos anteriores. Pero lo que esto significa no es obvio. Ahora hay resultados contradictorios sobre los neutrinos estériles. Si los resultados indican que se malinterpreta la física nuclear o atómica fundamental, eso también sería muy interesante”.

Uno de los experimentos anteriores que tuvo resultados similares fue el precursor de BEST, un experimento de neutrinos solares de la década de 1980 llamado Experimento soviético-estadounidense de galio (SAGE), que también utilizó galio y una fuente de neutrinos de alta intensidad. Tanto BEST como SAGE se realizaron a miles de metros por debajo de la entrada de un túnel en el Observatorio de Neutrinos de Baksan, ubicado en el desfiladero del río Baksan en las montañas del Cáucaso de Rusia.

Los detectores de neutrinos generalmente se entierran a gran profundidad para protegerlos contra la interferencia de los rayos cósmicos y otras radiaciones que causarían estragos en el experimento si los detectores estuvieran expuestos en la superficie. Un detector de neutrinos de próxima generación llamado Experimento de neutrinos subterráneos profundos, o DUNE, se está construyendo actualmente a 48 kilómetros bajo tierra en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi en Batavia, Illinois. Cuando esté completo, podrá disparar haces de neutrinos a través del manto de la Tierra.

¿Perdimos la materia oscura porque nuestra comprensión de la física es defectuosa?
Hay muchas razones por las que los físicos aman los neutrinos. Proporcionan un vínculo directo entre nosotros y el núcleo del sol, lo que permite a los científicos observar dentro de los procesos de fusión nuclear sin tener que colocar detectores en el espacio. Pero quizás lo más intrigante de los neutrinos es que oscilan entre sabores, como un camaleón que cambia de color en respuesta a su entorno. Una partícula que comienza como un neutrino electrónico, por ejemplo, puede convertirse en un neutrino tau o muón, y viceversa.

Las brechas en el tiempo de estas oscilaciones registradas por el experimento en Rusia, y otros similares anteriores, sugieren que hay un cuarto sabor que nos falta. Esta partícula hipotética también puede ser un componente importante de la materia oscura.

Pero eso no quiere decir que un cuarto tipo de partícula elemental sea la única explicación. Los resultados del experimento también plantean la intrigante posibilidad de que nuestro marco teórico actual que describe los neutrinos sea defectuoso. Eso no sería una mala noticia en absoluto. La ciencia es un trabajo constante en progreso en el que el statu quo siempre se agrega con evidencia nueva y convincente. En el proceso, la institución de la ciencia se vuelve más fuerte y creíble, así como mejor equipada para responder preguntas cada vez más complejas sobre la naturaleza.

Los hallazgos aparecieron en Physical Review Letters.

Fuente: ZME Science.

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