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  • 04/06/2018

Física de partículas

Posibles indicios de una nueva partícula elemental

Un experimento del Fermilab, en Chicago, detecta muchos más neutrinos de lo esperado. La explicación más simple apuntaría a la existencia de neutrinos «estériles», un nuevo tipo de partícula, si bien muchos físicos muestran aún su escepticismo.

arXiv

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Fotodetectores situados en el interior del tanque de aceite del experimento MiniBooNE. [Fermilab]

Los físicos están tan emocionados como desconcertados con los últimos resultados de un experimento de neutrinos situado en Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab), cerca de Chicago. El experimento MiniBooNE ha detectado una cantidad de neutrinos de cierto tipo mucho mayor que la prevista: un fenómeno cuya explicación más sencilla sería la existencia de neutrinos «estériles», una nueva partícula elemental aún más extraña y huidiza que los tres tipos de neutrinos ya conocidos. Además, los datos parecen confirmar una anomalía que ya fue observada hace décadas por otro experimento, cuya verificación fue precisamente lo que condujo a la construcción de MiniBooNE. 

El hecho de que la anomalía persista es fascinante, asegura Scott Dodelson, físico de la Universidad Carnegie Mellon. «Nos indicaría que realmente está pasando algo», añade Anže Slosar, del Laboratorio Nacional de Brookhaven. Qué podría estar pasando, sin embargo, es algo que por ahora nadie puede decir.

«Estoy entusiasmada con el resultado, pero aún no estoy lista para exclamar "eureka"», reconoce Janet Conrad, experta en física de neutrinos del Instituto de Tecnología de Massachusetts y miembro de la colaboración MiniBooNE. 

La existencia de un neutrino estéril revolucionaría la física desde las escalas más pequeñas hasta las más grandes. Por un lado, echaría abajo el modelo estándar de la física de partículas, la teoría que los físicos vienen usando desde los años setenta del pasado siglo para describir el mundo subatómico. Pero, además, también exigiría un nuevo modelo estándar en cosmología, sostiene Dodelson. «El modelo actual tiene otras grietas potenciales», añade. «La paradoja de los neutrinos podría guiarnos hacia un modelo nuevo y mejor.»

Los neutrinos son partículas elementales de masa ínfima. Miles de millones de ellos atraviesan nuestro cuerpo cada segundo; sin embargo, muy rara vez interaccionan con la materia. Al propagarse, estas partículas «oscilan»; es decir, cambian constantemente de «sabor», palabra que designa a cada uno de los tres tipos conocidos de neutrino: el electrónico, el muónico y el tauónico. 

El experimento MiniBooNE dispara un haz de neutrinos muónicos hacia un gigantesco tanque lleno de aceite. En el camino, algunos de ellos deberían transformarse en neutrinos electrónicos, lo que ocurre a un ritmo determinado por las diferencias entre las masas que pueden asignarse a estas partículas. Los físicos pueden inferir cuántos neutrinos electrónicos han llegado al tanque, ya que, en las raras ocasiones en que estos interaccionan con las moléculas de aceite, se genera un destello de radiación característico. En sus 15 años de toma de datos, MiniBooNE ha registrado varios cientos de neutrinos electrónicos por encima de lo esperado.

La manera más simple de explicar ese número tan sorprendentemente elevado es suponer que, en el trayecto, algunos neutrinos muónicos se habrían transformado en un cuarto tipo de neutrino: uno hasta ahora desconocido y asociado a una escala de masas mayor. Dicho neutrino recibe el nombre de «estéril», ya que nunca interaccionaría con nada que no fuera otro neutrino. Después, algunos de esos neutrinos estériles se habrían convertido en neutrinos electrónicos. Y, dado que ahora la diferencia entre las masas asociadas a las respectivas partículas sería mayor que en el caso habitual, la teoría prescribe una tasa de oscilaciones más rápida y, como consecuencia, un mayor número de detecciones. 

En los años noventa, el Detector de Neutrinos con Líquido Centellador (LSND), en Los Álamos, observó una anomalía similar, lo que motivó la construcción de MiniBooNE. Sin embargo, otros experimentos que funcionan de manera diferente a LSND y MiniBooNE no han obtenido ninguna señal clara de este hipotético neutrino estéril. «Es una maldición de este negocio que algunos experimentos vean algo y otros no», apunta Werner Rodejohann, del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg.

Sin embargo, si los neutrinos estériles explican estos resultados, los físicos tendrán que vérselas para hacer que las propiedades de estas nuevas partículas encajen con todo lo demás. Tal vez lo más preocupante sea que las observaciones cosmológicas de la luz del universo primitivo implican que en aquel entonces solo existían tres tipos de neutrinos. Para dar sentido a los resultados de LSND y MiniBooNE, así como a los obtenidos por los demás experimentos realizados hasta la fecha, se necesitaría «un marco teórico completamente nuevo», asegura Slosar. 

Además, el tipo concreto de neutrino estéril que podría ajustarse a los datos de MiniBooNE no resuelve ninguno de los misterios que en su día llevaron a los físicos a postular la existencia de esta partícula. Un neutrino estéril lo suficientemente masivo podría dar cuenta de la materia oscura que aparentemente rodea a las galaxias; y, al mismo tiempo, podría explicar por qué los tres neutrinos conocidos son tan ligeros, algo posible gracias a un truco matemático conocido como «mecanismo del balancín». Sin embargo, con una masa asociada de menos de un electronvoltio (eV), el supuesto neutrino estéril de MiniBooNE resulta insuficiente para tales fines.

«No hay motivos para esperar neutrinos estériles de 1 eV», señala Matthew Buckley, físico de partículas de la Universidad Rutgers. «Aunque no es que eso haya impedido al universo añadir nuevas partículas en el pasado», admite.

La confusión ha llevado a muchos expertos a frenar su optimismo y a sospechar que tanto MiniBooNE como LSND podrían haber sido víctimas de algún error desconocido. Freya Blekman, física de la Universidad Libre de Bruselas, argumenta que los experimentos pueden haber estado subestimado sistemáticamente la velocidad a la que ciertas partículas llamadas piones neutros se descomponen en el interior del tanque de aceite, un fenómeno que imita la señal que dejan los neutrinos electrónicos.

«Está claro que hay algo que entender, y sin duda espero que sea un cuarto neutrino», indica Neal Weiner, físico teórico de la Universidad de Nueva York. «Dicho esto, se trataría de la primera partícula descubierta más allá del modelo estándar, por lo que el umbral de la prueba está obviamente muy alto.» Por el momento, el físico prefiere adoptar «una actitud de esperar y ver».

Una respuesta más definitiva llegará de la mano de experimentos futuros. Entre ellos se encuentra uno llamado IsoDAR, propuesto por Conrad y muchos de sus colaboradores. En lugar de contar el número de neutrinos de un cierto sabor al final de un haz, este experimento observará cómo los neutrinos oscilan una y otra vez mientras viajan, lo que permitirá obtener una imagen más completa del fenómeno.

«Todavía no estoy dispuesta a apostar mi dinero porque este exceso es más bien una mancha» en una trama más compleja, sostiene Conrad. «¿Qué ocurriría si hay algo más capaz de causar esa mancha? Para convencerme de verdad, tendría que ver con gran significancia la oscilación predicha.»

Natalie Wolchover/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «Observation of a significant excess of electron-like events in the MiniBooNE short-baseline neutrino experiment». Colaboración MiniBooNE; arXiv:1805.12028, 30 de mayo de 2018.

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