¿El gran rompecabezas de neutrinos apunta a múltiples partículas perdidas?

By: Thomas Lewton

Años de mediciones de neutrinos en conflicto han llevado a los físicos a proponer un “sector oscuro” de partículas invisibles, uno que podría explicar simultáneamente la materia oscura, la desconcertante expansión del universo y otros misterios.

n 1993, bajo tierra en el Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México, algunos destellos de luz dentro de un tanque de petróleo del tamaño de un autobús dieron inicio a una historia de detectives que aún no ha llegado a su conclusión.

El Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) buscaba ráfagas de radiación creadas por neutrinos, la más ligera y elusiva de todas las partículas elementales conocidas. “Para nuestro asombro, eso es lo que vimos”, dijo Bill Louis, uno de los líderes del experimento.

El problema fue que vieron demasiados . Los teóricos habían postulado que los neutrinos podrían oscilar entre tipos a medida que vuelan, una hipótesis que explica varias observaciones astronómicas. LSND se había propuesto probar esta idea apuntando un haz de neutrinos muónicos, uno de los tres tipos conocidos, hacia el tanque de petróleo y contando el número de neutrinos electrónicos que llegaron allí. Sin embargo, Louis y su equipo detectaron muchos más neutrinos electrónicos que llegaban al tanque de lo que predijo la simple teoría de las oscilaciones de neutrinos.

Desde entonces, se han construido docenas más de experimentos con neutrinos, cada uno más grandioso que el anterior. En las montañas, cavernas mineras en desuso y el hielo bajo el Polo Sur, los físicos han levantado las catedrales de estas partículas notoriamente resbaladizo. Pero a medida que estos experimentos sondearon neutrinos desde todos los ángulos, siguieron produciendo imágenes contradictorias de cómo se comportan las partículas. “La trama sigue espesándose”, dijo Louis.

“Es una historia muy confusa. Yo lo llamo el jardín de senderos que se bifurcan ”, dijo Carlos Argüelles-Delgado , físico de neutrinos de la Universidad de Harvard. En el cuento de 1941 de Jorge Luis Borges con ese título, el tiempo se ramifica en un número infinito de futuros posibles. Con los neutrinos, los resultados contradictorios han enviado a los teóricos por una variedad de caminos, sin estar seguros de en qué datos confiar y cuáles podrían estar llevándolos por mal camino. “Como cualquier historia de detectives, a veces ves pistas y te arrojan en la dirección equivocada”, dijo Argüelles-Delgado.

La explicación más simple de la anomalía del LSND fue la existencia de un nuevo cuarto tipo de neutrino, denominado neutrino estéril, que mezcla todos los tipos de neutrinos de acuerdo con nuevas reglas. Los neutrinos estériles permitirían que los neutrinos muónicos oscilen más fácilmente en neutrinos electrónicos en la corta distancia hasta el tanque de petróleo.

Pero a medida que pasaba el tiempo, el neutrino estéril no se ajustaba a los resultados de otros experimentos. “Teníamos nuestra teoría del campeón, pero el problema era que en otros lugares falla estrepitosamente”, dijo Argüelles-Delgado. “Estábamos muy adentrados en el bosque y necesitábamos salir”.

Obligados a volver sobre sus pasos, los físicos han estado reconsiderando qué hay detrás de la confusión de pistas y resultados a medias. En los últimos años, han ideado nuevas teorías que son más complicadas que el neutrino estéril, pero que, de ser correctas, revolucionarían por completo la física, resolviendo anomalías en los datos de oscilación de neutrinos y otros grandes misterios de la física al mismo tiempo. No menos importante, los nuevos modelos postulan neutrinos adicionales pesados ​​que podrían explicar la materia oscura, la materia invisible que envuelve a las galaxias y que parece ser cuatro veces más abundante que la materia normal.

Ahora, cuatro análisis publicados ayer por el experimento MicroBooNE en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi cerca de Chicago y otro estudio reciente del detector IceCube en el Polo Sur sugieren que estas teorías de neutrinos más complejas pueden estar en el camino correcto, aunque el futuro está lejos. desde claro.

“Siento que algo está en el aire”, dijo Argüelles-Delgado. “Es un entorno muy tenso que apunta hacia el descubrimiento”.

Un remedio desesperado

Cuando Wolfgang Pauli postuló la existencia del neutrino en 1930 para explicar hacia dónde estaba desapareciendo la energía durante la desintegración radiactiva, lo llamó un “remedio desesperado”. Su construcción teórica no tenía masa ni carga eléctrica, lo que le hacía dudar de que un experimento pudiera detectarla. “Es algo que ningún teórico debería hacer”, escribió en su diario en ese momento. Pero en 1956, en un experimento similar al LSND, allí estaba el neutrino .

Triumph pronto se convirtió en confusión cuando los físicos detectaron neutrinos provenientes del sol, una fuente natural de partículas, y encontraron menos de la mitad del número predicho por los modelos teóricos de reacciones nucleares de las estrellas. En la década de 1990, estaba claro que los neutrinos se comportaban de manera extraña. No solo los neutrinos solares parecían desaparecer misteriosamente, sino también los neutrinos que caen a la Tierra cuando los rayos cósmicos chocan con la atmósfera superior.

Una solución, propuesta anteriormente por el físico italiano Bruno Pontecorvo, fue que los neutrinos cambian de forma. Como muchas partículas elementales , vienen en tres tipos: neutrinos de electrones, muones y tau. Entonces, en lugar de hacer un acto de desaparición, sugirió Pontecorvo, los neutrinos podrían transformarse entre estas especies mientras viajan. Algunos de los neutrinos electrónicos producidos por el sol, por ejemplo, podrían convertirse en neutrinos muónicos y, por lo tanto, parecerían desaparecer. Con el tiempo, los teóricos se centraron en una descripción de cómo los neutrinos oscilan entre los tipos según su energía y la distancia de viaje que coincide con los datos provenientes del sol y el cielo.

Pero la idea de los neutrinos que cambiaban de forma era difícil de digerir para muchos físicos. Las matemáticas solo funcionan si cada una de las tres especies de neutrinos es una mezcla de mecánica cuántica de tres masas diferentes; en otras palabras, el cambio de forma significa que los neutrinos deben tener masa. Pero el Modelo Estándar de la física de partículas, el conjunto de ecuaciones bien probado que describen las partículas y fuerzas elementales conocidas, considera inequívocamente a los neutrinos sin masa.

El sol y la atmósfera son complicados, por lo que LSND se construyó con una fuente de neutrinos dedicada para buscar evidencia más definitiva de cambio de forma. Los investigadores pronto lo encontraron. “Recibíamos un candidato cada semana más o menos”, dijo Louis. En 1995, The New York Times publicó una historia sobre los neutrinos que cambian de forma del experimento en su portada.

Los críticos del experimento LSND señalaron fuentes de error en los detectores y posibles interferencias de fuentes naturales de neutrinos. Incluso los científicos que respaldaron la idea de que los neutrinos oscilan y tienen masa desconfiaban de los números de LSND, porque la tasa de oscilación inferida superó la tasa implícita en los neutrinos solares y atmosféricos. Los datos solares y atmosféricos sugirieron que los neutrinos oscilan entre solo las tres especies de neutrinos conocidas; agregando un cuarto, el neutrino estéril, llamado así porque no debe sentir la fuerza que une a los neutrinos de electrones, muones y tau en coqueteos con los átomos, haciéndolos detectables, se ajusta mejor a los datos de LSND.

Una serie de experimentos definitivos de oscilación de neutrinos a fines de la década de 1990 y principios de la de 2000 llamados SNO, Super-K y KamLAND apoyaron fuertemente el modelo de oscilación de tres neutrinos, lo que llevó a un Premio Nobel para algunos de los investigadores involucrados. El supuesto cuarto neutrino estéril acechaba en las sombras.

Los cazadores de anomalías

Las anomalías a menudo surgen en los experimentos y luego desaparecen con una investigación adicional, por lo que muchos investigadores las ignoran al principio. Pero Janet Conrad , una “orgullosa cazadora de anomalías” y profesora del Instituto de Tecnología de Massachusetts, se nutre de esas peculiaridades. “Somos gente desordenada. No nos importa el lío. De hecho, lo disfrutamos ”, dijo recientemente en Zoom.

Cuando Conrad estaba terminando su doctorado en 1993, la mayoría de los físicos de partículas trabajaban en colisionadores, golpeando partículas con la esperanza de conjurar otras nuevas entre los escombros. Las hermosas teorías que lo abarcan todo, como la supersimetría, que predice un conjunto completo de partículas de imagen especular para todas las del Modelo Estándar, estaban de moda; las sutilezas de las oscilaciones de neutrinos no lo eran. Aún así, Conrad estaba intrigado por el resultado de LSND y decidió seguirlo. “Quiero que la naturaleza me hable; No quiero decirle a la naturaleza lo que tiene que hacer ”, dijo.

A finales de los 90, Conrad y sus colegas con mentalidad anómala bajaron al detector LSND y sacaron con cuidado más de 1000 de sus sensores de color ámbar, limpiaron el aceite espeso y los instalaron en un nuevo detector de neutrinos, uno de tres. Esfera de un piso de altura ubicada en Fermilab a la que llamaron MiniBooNE. “Teníamos estos tapetes de yoga donde podías recostarte en el andamio y mirar hacia arriba”, dijo. “Era como un universo de diminutas lunas de color ámbar. Oh, fue tan hermoso “.

Esta versión mejorada de LSND recopiló datos desde 2002 hasta 2019. Cinco años después de su largo plazo, MiniBooNE comenzó a ver una tasa de oscilación de neutrinos anómala similar, lo que sugiere que el resultado de LSND no fue una casualidad, y que un neutrino extra liviano podría existir después de todo.

Sin embargo, se iniciaron otros experimentos mientras MiniBooNE estaba en marcha. Cada uno exploró diferentes distancias y energías de viaje de neutrinos para ver cómo esto influyó en su cambio de forma. Sus resultados parecían confirmar el modelo de tres neutrinos, contradiciendo no solo LSND, sino ahora también MiniBooNE.

Muerte del neutrino estéril

Los cazadores de anomalías habían llegado a una bifurcación en el camino y las señales apuntaban en direcciones opuestas. Más evidencia apoyó la existencia de tres neutrinos que cuatro. Luego, otro golpe para los neutrinos estériles vino del telescopio espacial Planck.

En 2013, Planck tomó una imagen increíblemente detallada del universo tal como apareció no mucho después del Big Bang al detectar una débil radiación de esa época llamada fondo cósmico de microondas. La imagen de Planck de esta luz primordial permitió a los cosmólogos probar sus teorías del universo primitivo con un detalle radical.

En el universo temprano, los neutrinos habrían sido muy energéticos, lo que influyó fuertemente en la rapidez con que se expandió el universo. Al deducir la tasa de expansión de los datos de fondo de microondas cósmicos de Planck, los investigadores pudieron estimar cuántos tipos de neutrinos llenaban el cosmos joven. Los datos sugirieron que había tres tipos. Esta y otras observaciones cosmológicas “descartaron con bastante firmeza la existencia de una cuarta especie de neutrinos”, dijo Joachim Kopp , físico teórico del CERN; al menos, descartó la simple, liviana y estéril que los teóricos habían considerado.

Para 2018, todos estuvieron de acuerdo en que el juego había terminado. En una conferencia de física de neutrinos en Heidelberg, Alemania, Michele Maltoni se puso de pie en un gran auditorio para anunciar la muerte del neutrino estéril. “Dijo: ‘Si no sabías que se acabó, ahora debes saber que se acabó’”, recordó Argüelles-Delgado.

La presentación de Maltoni fue una llamada de atención para los teóricos de los neutrinos de que necesitaban nuevas ideas. “El camino hacia adelante estaba roto”, dijo Argüelles-Delgado, volviendo a su metáfora de Borges. “Entonces, ¿cómo maniobramos?”

Él y sus colegas comenzaron a revisar los supuestos en los que se fundó la idea de un neutrino estéril. “Siempre tenemos el enfoque de la navaja de Occam en física, ¿verdad? Comenzamos con la suposición más simple, que era una sola partícula nueva que simplemente no hace nada más que este comportamiento oscilatorio ”, dijo. “Esa fue probablemente una suposición tonta”.

El sector oscuro

Durante los últimos tres años, los físicos de neutrinos han contemplado cada vez más la posibilidad de múltiples neutrinos adicionales, que podrían interactuar entre sí a través de sus propias fuerzas secretas. Este “sector oscuro” de partículas invisibles tendría complicadas interrelaciones parecidas (pero independientes) a las de los electrones, quarks y otras partículas del Modelo Estándar. “Es perfectamente posible que este sector oscuro sea rico y complejo”, dijo Matheus Hostert , físico teórico del Instituto Perimetral de Física Teórica en Waterloo, Canadá.

Agregar fuerzas secretas a los modelos puede evitar los obstáculos presentados por el telescopio Planck al suprimir la cantidad de neutrinos que se habrían producido en el universo temprano. Y un sector oscuro, con tantas características, podría tapar muchos agujeros en nuestra comprensión a la vez. Desde el descubrimiento en la década de 1990 de que los neutrinos tienen masa, los teóricos se han preguntado si los neutrinos podrían explicar la enorme cantidad de materia oscura que parece engullir a las galaxias. Pronto concluyeron que los tres neutrinos conocidos no tienen ni cerca de la masa necesaria para hacerlo. Pero si existe una familia más grande de neutrinos, incluidos algunos pesados, es posible que exista.

La idea de un sector oscuro invisible pero fructífero no es nueva, pero la cantidad de estos modelos se ha disparado. La investigación reúne los problemas dispares de la materia oscura y las anomalías de los neutrinos bajo un mismo paraguas. “Ha habido una convergencia”, dijo Argüelles-Delgado.

Un sector oscuro rico y complejo podría ofrecer una solución a por qué el universo actual parece expandirse más rápido de lo esperado, un fenómeno conocido como la tensión de Hubble , y por qué las galaxias no parecen agruparse tanto como deberían si se tratara de materia oscura. es una sola partícula inerte. “Cambiar la física de la materia oscura aquí realmente tendría un impacto en este tipo de tensión cosmológica”, dijo Christina Kreisch , astrofísica de la Universidad de Princeton.

Los modelos resuenan con ideas más antiguas. Por ejemplo, la existencia de neutrinos muy pesados se planteó por primera vez hace décadas para explicar las masas desconcertantemente pequeñas de los tres neutrinos conocidos. (En un ” mecanismo de balancín ” , las masas de los neutrinos ligeros conocidos y los pesados ​​podrían tener una relación inversa). Y la desintegración de los neutrinos pesados ​​momentos después del Big Bang se ha sugerido como la posible razón por la que hay mucha más materia. que la antimateria en el universo. “Mucha gente, incluyéndome a mí, estamos trabajando para explorar tales conexiones”, dijo Kopp.

A principios de este año, Argüelles-Delgado, Conrad y varios colaboradores propusieron un modelo de sector oscuro , que pronto se publicará en Physical Review D , que incluye tres neutrinos pesados ​​de diferentes masas. Su modelo da cuenta de los datos de LSND y MiniBooNE a través de una mezcla de neutrinos pesados ​​en descomposición y ligeros oscilantes; también deja espacio para explicar el origen de la masa de neutrinos, la asimetría materia-antimateria del universo a través del mecanismo de balancín y la materia oscura.

Los cazadores de anomalías idearon el nuevo modelo al contemplar una falla en el experimento MiniBooNE: no puede distinguir entre las señales creadas por los neutrinos electrónicos y las producidas por ciertas desintegraciones de partículas. Esto abrió la posibilidad de que, además de los neutrinos ligeros que oscilan entre tipos, los neutrinos pesados ​​podrían estar decayendo dentro del detector, lo que explica su abundancia de señales.

Los resultados experimentales completamente nuevos se ajustan a esa narrativa. El experimento MicroBooNE de Fermilab, un seguimiento de MiniBooNE que se reconfiguró para corregir la falla, pronto informará en  Physical Review Letters  que los neutrinos estériles por sí solos no pueden explicar la anomalía de MiniBooNE . Sin embargo, los resultados son consistentes con la posibilidad de que solo la mitad de los eventos de MiniBooNE se deban a oscilaciones de neutrinos. MicroBooNE  informó  recientemente que las desintegraciones de las partículas conocidas del Modelo Estándar casi con certeza no pueden explicar el resto de los eventos. La posibilidad de que las partículas pesadas del sector oscuro se descompongan dentro de MiniBooNE se determinará el próximo año en el próximo lanzamiento de MicroBooNE.

Los físicos también están volviendo a recorrer viejos caminos, comparando sus modelos de sector oscuro con los datos existentes. Por ejemplo, el equipo detrás del experimento IceCube, una serie de 5000 detectores incrustados a kilómetros de profundidad en el hielo debajo del Polo Sur, ha publicado desde 2016 una serie de afirmaciones , cada una más segura que la anterior, de que no ha habido señales de esterilidad. neutrinos que atraviesan el hielo. Pero un análisis publicado a principios de este mes encontró que, si los neutrinos estériles pueden descomponerse en otras partículas invisibles, los datos de IceCube en realidad favorecen su existencia. El análisis completo del equipo aún no se ha publicado y los investigadores enfatizan la necesidad de esta evaluación antes de poder decirlo con certeza.

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Por último, los análisis que consideran todos los experimentos de oscilación de neutrinos juntos también encuentran apoyo para la descomposición de neutrinos estériles.

Las afirmaciones audaces sobre la presencia de partículas invisibles exigen pruebas audaces, y no todo el mundo está convencido. “He apostado contra todas las anomalías”, dijo Goran Senjanović, de la Universidad Ludwig Maximilian de Munich, uno de los creadores del modelo de balancín de la masa de neutrinos. En lugar de postular más y más partículas para explicar las sorpresas experimentales, Senjanović dijo que deberíamos guiarnos por la teoría establecida “ante todo”, dando solo los pasos más pequeños más allá del exitoso Modelo Estándar.

Pero en el jardín de senderos que se bifurcan, las presunciones de minimalismo y simplicidad a menudo han resultado ser incorrectas. El Modelo Estándar predice que los neutrinos de electrones, muones y tau no tienen masa, excepto que no lo son. Los teóricos alguna vez pensaron que si estos neutrinos tienen masa, deben tener suficiente para dar cuenta de la materia oscura, excepto que no la tienen. Quizás se necesite una extensión mucho más elaborada del Modelo Estándar. Físicos como Conrad enfatizan los beneficios de perseguir anomalías en busca de pistas.

Fuera del laberinto

El desafío ahora es cómo acceder al hipotético sector oscuro dado que es, bueno, oscuro. Inventar partículas indetectables, advirtió Pauli, es algo que ningún teórico debería hacer. Afortunadamente, los físicos pueden escuchar susurros del mundo invisible a través de los tres neutrinos familiares. “El neutrino es en sí mismo esencialmente una partícula oscura”, dijo Neal Weiner , físico de partículas de la Universidad de Nueva York. “Tiene la capacidad de interactuar y mezclarse con otras partículas oscuras, lo que ninguna de las otras partículas del modelo estándar puede hacer”.

Los nuevos y futuros experimentos de neutrinos podrían abrir un portal al sector oscuro. Después de MicroBooNE, los experimentos SBND e ICARUS de Fermilab pronto se encenderán y sondearán las oscilaciones de neutrinos a múltiples distancias y energías, aclarando el patrón completo de las oscilaciones. Mientras tanto, el experimento DUNE en Fermilab será sensible a las partículas más pesadas del sector oscuro. Observar atentamente los neutrinos arrojados de fuentes radiactivas, como el litio-8 , en experimentos de “desintegración en reposo” ofrecerá una visión alternativa del actual revoltijo de resultados, dijo Conrad.

IceCube también ofrece un punto de vista inusual. El experimento es capaz de detectar neutrinos muy energéticos que se producen cuando los rayos cósmicos chocan con la atmósfera terrestre. Estos neutrinos podrían dispersarse contra las partículas dentro de IceCube y transformarse en las exóticas y pesadas que se sospecha se descomponen dentro de MiniBooNE. Si IceCube vio esta dispersión seguida por la desintegración del neutrino pesado a cierta distancia, esta firma de “doble explosión” “sería una evidencia muy fuerte de una nueva partícula”, dijo Hostert.

Estas posibilidades hacen que el sector oscuro “no sea solo un cuento antes de dormir”, dijo Weiner. Sin embargo, incluso si existe el sector oscuro y los neutrinos familiares actúan como intermediarios, no hay garantía de que su vínculo sea lo suficientemente fuerte como para revelar lo que está oculto. “Es posible que [neutrinos] pesados ​​sean completamente inaccesibles para cualquier experimento razonable”, dijo Josh Spitz de la Universidad de Michigan.

También sigue siendo plausible que cada anomalía de neutrinos que surja, comenzando con LSND, pueda tener su propia explicación mundana. “Quizás todos estén equivocados y es increíblemente desafortunado que todos parezcan tener algo que ver entre ellos”, dijo Conrad. “Eso sería que la naturaleza fuera muy cruel”.

Por su parte, Argüelles-Delgado se muestra optimista acerca de eventualmente salir del laberinto. “La ciencia va por etapas, luego, de repente, algo simplemente se rompe”, dijo. “Estoy acumulando pistas e investigando. Algunas piezas de información son más confiables que otras; tienes que juzgar por ti mismo “.