9 de Noviembre de 2021
Física de partículas

¿Pueden existir los neutrinos estériles?

Hace tiempo que los físicos se preguntan si existe una misteriosa cuarta variedad de neutrino. Ahora, nuevos hallazgos experimentales han complicado esa pregunta.

Interior del experimento MiniBooNE, el predecesor de MicroBooNE. [Reidar Hahn/Fermilab]

En la década de 1990, un experimento que estudiaba neutrinos vio algo extraño: aparecieron demasiadas partículas en su detector. En 2002, los científicos comenzaron otro experimento para encontrar qué había sucedido. Ese ensayo también obtuvo resultados sorprendentes, pero de una manera distinta. Luego vino un tercer experimento en 2015. Este dio a conocer sus mediciones hace unos días, las cuales no resuelven ninguno de los dos acertijos y solo aumentan el misterio.

Todos los proyectos han analizado el comportamiento de los neutrinos, la partícula más abundante de la naturaleza a excepción de los fotones (partículas de luz). Estas pequeñas partículas sin carga eléctrica se generan en el Sol, las supernovas y otros fenómenos astrofísicos, y alrededor de un billón de ellas atraviesan nuestra mano cada segundo sin que nos demos cuenta. Se sabe que existen tres tipos, o «sabores»: neutrinos electrónicos, muónicos y tauónicos. Pero muchos científicos esperan que antes o después aparezca un cuarto tipo, el llamado «neutrino estéril». Si existen, estas partículas podrían ayudar a resolver varios misterios de la física, como por qué los neutrinos tienen masa o de qué se compone la materia oscura. El desconcertante exceso de partículas en los experimentos anteriores entusiasmó a los investigadores, ya que parecía ser un posible signo de neutrinos estériles interfiriendo con neutrinos ordinarios.

Estos hipotéticos neutrinos se denominan «estériles» porque solo interaccionarían con otras partículas a través de la gravedad, mientras que los tres sabores conocidos pueden también hacerlo a través de la interacción débil. Sin embargo, podrían afectar al resto de los neutrinos debido a una extraña propiedad que todas estas partículas comparten: la capacidad de «oscilar», o cambiar de sabor a medida que viajan. Una partícula que comienza como neutrino electrónico, por ejemplo, puede convertirse en un neutrino tauónico o muónico, y viceversa.

Por lo general, esta transformación tiene lugar cuando los neutrinos viajan una cierta distancia, pero en los experimentos en cuestión parecía estar sucediendo con mayor rapidez de lo esperado. Dichos experimentos se llevaron a cabo en el Detector de Neutrinos con Líquido Centellador (LSND, por sus siglas en inglés), en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, y en MiniBooNE, en el laboratorio Fermilab, cerca de Chicago. Los científicos pensaron que los neutrinos muónicos podrían estar oscilando a neutrinos estériles y luego a neutrinos electrónicos, un proceso que podría suceder más rápido que el simple cambio de sabor muónico a electrónico.

Detectores mejorados

Los últimos hallazgos provienen del sucesor de MiniBooNE, el experimento MicroBooNE, también en el Fermilab. Allí los físicos generan una corriente de neutrinos muónicos y los disparan hacia un detector situado a 470 metros de distancia. El detector, un tanque gigante lleno de 170 toneladas de argón líquido puro, busca atrapar neutrinos cuando estos se estrellan contra el núcleo de uno de los átomos de argón. Tales colisiones son extremadamente raras, y los únicos signos de ellas son las partículas secundarias producidas por la interacción.

Los científicos anunciaron los resultados de MicroBooNE el 27 de octubre e informaron de que no habían visto señales del exceso observado en su día por MiniBooNE. «Es un poco extraño», reconoce la coportavoz de MicroBooNE, Bonnie Fleming, de Yale.

Los experimentos anteriores vieron partículas adicionales que parecían electrones o fotones, aunque no pudieron confirmar ninguna de esas posibilidades. MicroBooNE, sin embargo, puede observar con mucha más precisión la dirección en que viajan las partículas en su detector y la energía que depositan. «Eso significa que podemos resolver si se trata de un electrón o de un fotón», dice Fleming. «Un verdadero triunfo del experimento es lo bien que funciona la tecnología.»

Sin embargo, el resultado es que los científicos de MicroBooNE están bastante seguros de que no hay exceso de electrones o fotones, lo que reduce las esperanzas de hallar neutrinos estériles. Si los neutrinos muónicos pudieran convertirse rápidamente en neutrinos estériles y luego en electrónicos, MicroBooNE habría observado un exceso de electrones. (El detector no está lo suficientemente lejos de la fuente para que ocurra la oscilación habitual de neutrino muónico a electrónico).

Pero, si no hay electrones o fotones adicionales, ¿cuáles son las partículas «de más» que vieron LSND y MiniBooNE? Una opción es que las colisiones inexplicables de neutrinos no estaban ocurriendo en ninguno de esos primeros experimentos y que, en el caso de MiniBooNE, los investigadores simplemente pasaron por alto alguna interferencia interna del experimento. «Quizás hay algo sobre el detector que no comprendemos por completo», afirma Joachim Kopp, físico teórico del CERN y de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia. «Pero lo considero muy poco probable; los responsables del experimento están extremadamente cualificados.»

Otros están de acuerdo. «Es muy poco probable que haya algún error de calibración del detector», señala André de Gouvêa, físico teórico de la Universidad Noroccidental de EE.UU. «Tiene que haber una nueva fuente de electrones o fotones, o algo que parezca electrones o fotones.»

O quizás, añade, esté sucediendo algo más complejo. En lugar de que un neutrino muónico oscile a un neutrino estéril y luego a uno electrónico, la fuente de neutrinos muónicos podría estar también produciendo neutrinos estériles más masivos o alguna otra nueva partícula. Y dichas partículas podrían desintegrarse en otras, como en un neutrino ordinario y algo exótico, como un «fotón oscuro» (un pariente hipotético del fotón). En tal caso, el resultado sería un electrón y su homólogo de antimateria, un positrón, el cual dejaría una señal distinta a la de un electrón. MicroBooNE aún no ha buscado estos pares de partículas.

Los neutrinos estériles siguen siendo una perspectiva atractiva para los físicos. Es probable que sean un subproducto de las teorías que intentan explicar por qué los neutrinos tienen masa. También podrían ayudar a entender qué es la materia oscura. Ciertos tipos de neutrinos estériles podrían dar cuenta de la materia oscura por sí mismos, o bien podrían ser parte de un «sector oscuro» más amplio en el que una partícula de materia oscura estaría relacionada o se desintegraría en neutrinos estériles. «Si preguntas [a los físicos] si creen que podría existir un neutrino estéril, creo que todo el mundo admite que es muy plausible», dice De Gouvêa. «Pero el diablo está en los detalles. ¿Es pesado o ligero, fácil o difícil de ver?»

Averiguar qué está sucediendo en estos experimentos con neutrinos podría ser el primer paso para responder tales preguntas. «Es realmente interesante, porque ahora se han probado todas las posibilidades obvias», dice Kopp. «Lo bueno es que tenemos las herramientas para investigar esto con mayor profundidad y, con suerte, llegar al fondo.»

Planes de futuro

MicroBooNE es parte de un proyecto de neutrinos aún mayor del Fermilab, el llamado programa de Neutrinos de Línea Base Corta (SBN por sus siglas en inglés), el cual incluye tres detectores de neutrinos de argón líquido espaciados y situados a diferentes distancias de la fuente. Los otros dos detectores se conocen como SBND, a solo 110 metros de la fuente, e ICARUS T600, situado a 600 metros. A una distancia intermedia, 470 metros, está MicroBooNE, que es el que primero comenzó a tomar datos. ICARUS y SBND empezarán este año y en 2023, respectivamente.

«El plan es hacer una medición que sea mucho más inclusiva, mirando en las posibles regiones de parámetros permitidos de una manera más global», dice la coportavoz de SBND Ornella Palamara, del Fermilab. Si la interpretación correcta de los resultados de MiniBooNE son neutrinos estériles, por ejemplo, entonces, además de la aparición de neutrinos electrónicos, los científicos verían una desaparición correspondiente de eventos de neutrinos muónicos en el detector lejano a medida que las partículas se distancian más y más de la fuente. «Esa es la ventaja del programa de detectores múltiples SBN; algo que no se puede hacer con un solo detector», dice Palamara. «Hay mucho que podemos hacer y estos análisis de MicroBooNE son el comienzo.»

La complejidad tecnológica del reciente análisis de MicroBooNE es un buen augurio para las perspectivas futuras, sostienen los científicos. «Es muy emocionante porque MicroBooNE ha alcanzado un nivel de conocimiento sin precedentes en la comprensión de estos eventos de neutrinos», observa Marcela Carena, jefa de la División de Teoría del Fermilab. «Eso permitirá que los experimentos futuros impulsen sus búsquedas de física».

Por ahora, el jurado aún está deliberando sobre la existencia de neutrinos estériles. «No creo que la idea esté muerta», dice Carena. «La búsqueda de neutrinos estériles continúa.»

Clara Moskowitz

Los boletines de Investigación y Ciencia

Elige qué contenidos quieres recibir.