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Neutrinos ocultos

Un experimento aspira a encontrar un nuevo tipo de neutrino que podría resultar clave para entender el sector oscuro del universo.

Interior del detector del experimento Coherent CAPTAIN-Mills. [Laboratorio Nacional de Los Álamos]

En síntesis

Los neutrinos pueden ser de tres tipos o sabores. Pero algunos experimentos muestran indicios de un cuarto sabor, un neutrino «estéril» que no sentiría ninguna fuerza salvo la gravedad.

Si existen los neutrinos estériles, nos llevarán más allá del modelo estándar de la física de partículas y podrían proporcionar una conexión con la materia y energía oscuras.

Varios experimentos intentan verificar la existencia de los neutrinos estériles, como el Coherent CAPTAIN-Mills, que busca caídas en el número de neutrinos detectados a diferentes distancias de la fuente.

Los físicos que asistieron a nuestra presentación en la Conferencia Internacional de Física y Astrofísica de Neutrinos celebrada en 2010 en Atenas seguramente esperaban que nos desdijésemos de un controvertido hallazgo de la década anterior. Y, en vez de eso, los dejamos mudos de asombro.

Todo había comenzado en 1996, cuando publicamos unos datos obtenidos con el Detector de Neutrinos con Líquido Centellador (LSND) del Laboratorio Nacional de Los Álamos, situado en Nuevo México. Esos resultados parecían entrar en conflicto con la idea generalmente aceptada de que los neutrinos (unas partículas diminutas y omnipresentes que atraviesan casi toda la materia) pueden ser de tres tipos o sabores, puesto que apuntaban a la posible existencia de un cuarto sabor aún no detectado. La comunidad científica se mostró escéptica y, de hecho, los datos preliminares de un experimento posterior hacían pensar que nuestros resultados de 1996 eran incorrectos: después de todo, no había un cuarto sabor de neutrino. Sin duda, aquel día en Atenas la audiencia esperaba que nuestros hallazgos más recientes desmintieran de una vez por todas los resultados del experimento LSND. Sin embargo, desvelamos que las pruebas a favor de un cuarto tipo de neutrino eran aún más convincentes.

No es que lo hubiéramos descubierto, pero nuestro trabajo en el experimento MiniBooNE (alojado en el Laboratorio Nacional Fermi, en Illinois) demostró que, casi con total seguridad, había un problema en nuestra manera de entender la física de partículas. Y la solución más plausible era que existiese un nuevo neutrino «estéril», llamado así porque no interaccionaría con el resto de la materia más que a través de la gravedad. Transcurrida una década desde nuestra presentación en Grecia, los datos de MiniBooNE han reforzado aún más la idea de que hay un cuarto tipo de neutrino.

En la actualidad, creemos que hay una probabilidad de más del 99,999999 por ciento de que exista algo más allá de la física conocida, y los neutrinos estériles son serios aspirantes a constituir ese algo. Aun así, la idea de que nuestros experimentos hayan detectado un cuarto neutrino sigue siendo controvertida, ya que el modelo estándar de la física de partículas —uno de los marcos teóricos mejor comprobados de la historia— solo admite tres sabores de neutrinos. No obstante, sabemos que el modelo estándar no es una teoría completa, ya que no explica la materia y la energía oscuras, las componentes invisibles que parecen dominar el cosmos. Y un nuevo sabor de neutrino podría aportar una conexión con ese territorio oculto. Tras años de incertidumbre, se están poniendo en marcha varios proyectos que podrían dilucidar este misterio, incluido nuestro propio experimento, llamado Coherent CAPTAIN-Mills (CCM).

¿QUÉ ES UN NEUTRINO ESTÉRIL?

Los neutrinos son partículas fantasmales. Billones de ellos nos atraviesan cada segundo, casi a la velocidad de la luz. Con todo, los neutrinos estériles serían aún más fantasmales: al no experimentar la fuerza electromagnética, la fuerte ni la débil (a través de las que interaccionan otras partículas), serían esencialmente indetectables. Eso los convertiría en parte de ese reino oculto que los físicos llaman el sector oscuro, donde habitan la energía y materia oscuras que representan el 95 por ciento de la densidad de energía del universo. Los neutrinos estériles podrían interaccionar con la materia oscura a través de fuerzas de la naturaleza aún desconocidas, y hasta podrían ser la materia oscura: algunas teorías afirman que estas partículas podrían conformar una parte o incluso la mayoría de la materia invisible del cosmos.

Si existiesen los neutrinos estériles, estaríamos ante la más reciente de las sorpresas que esta desconcertante familia de partículas ha deparado a los físicos. La primera llegó en la década de 1960, cuando los experimentos diseñados para detectar los neutrinos procedentes del Sol registraron muchos menos de los previstos. Todas las estrellas obtienen su energía a partir de reacciones de fusión nuclear en las que los protones se combinan para formar núcleos de helio, que a su vez se funden en elementos más pesados. Entre los productos de estas reacciones están los neutrinos electrónicos (uno de los tres sabores conocidos, junto con los neutrinos muónicos y los tauónicos). La teoría predice la llegada de un flujo continuo de esas partículas desde el Sol, pero los experimentos solo midieron una pequeña fracción del número esperado. Este déficit se bautizó como el problema de los neutrinos solares.

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