Ciencia simplificada: ¿Qué son los neutrinos estériles?

By: FERMI NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY 

neutrinos estériles son un tipo especial de neutrinos que se ha propuesto para explicar algunos resultados experimentales inesperados, pero no se han descubierto definitivamente. Los científicos los están buscando en muchos experimentos diferentes.

Mientras que los neutrinos estándar de electrones, muones y tau (y antineutrinos) interactúan con la materia a través de dos fuerzas (la fuerza débil y la gravedad), los científicos creen que los neutrinos estériles pueden interactuar solo a través de la gravedad. Esto los haría aún más difíciles de detectar que los engañosos neutrinos “regulares”. La gravedad es la más débil de todas las fuerzas, y los neutrinos son muy livianos, por lo que no le dan a la gravedad mucho con qué trabajar. Encontrar señales leves en medio del caos del universo será difícil, pero no imposible.

Si bien conocen los tres sabores de neutrinos, los científicos no están seguros de cuántos tipos de neutrinos estériles podría haber. ¿Hay solo uno para agregar, o quizás tres paralelos? ¡O tal vez hay más!

Las partículas (incluido el neutrino loco) tienen propiedades llamadas espín y helicidad. Las partículas no giran literalmente como una peonza, pero sigue siendo una buena forma de pensar al respecto. La helicidad se refiere a cómo el giro se relaciona con el movimiento de la partícula, y es análogo a la idea de que alguien sea zurdo o diestro.

Extiende tus manos y cierra dos puños. La forma en que se curvan los dedos representa el giro de una partícula y el pulgar apunta en la dirección del viaje. Estas son partículas para diestros y zurdos, y son importantes porque una de las cuatro fuerzas de la naturaleza, la fuerza débil, no las trata por igual. La fuerza débil prefiere interactuar con partículas zurdas.

Hasta ahora, los científicos solo han encontrado neutrinos zurdos. Pero si hay neutrinos diestros, podrían ser los neutrinos estériles predichos. Debido a que la fuerza débil los ignoraría, los neutrinos estériles (diestros) interactuarían solo a través de la gravedad, haciéndolos prácticamente invisibles.

Una forma de descubrir estas partículas secretas implica la oscilación. Algunos experimentos han visto un exceso de oscilación de neutrinos donde la teoría predijo que no debería ser. Y algunos experimentos han visto aparecer o desaparecer neutrinos en distancias mucho más cortas que los experimentos con neutrinos de lugares más distantes, como la atmósfera o el sol. Si los neutrinos oscilan en este cuarto tipo de neutrino, eso podría explicar los rápidos cambios y las anomalías observadas en los experimentos. Se necesitan muchos más datos antes de que se pueda tomar una decisión definitiva.

Los neutrinos interactúan a través de dos de las cuatro fuerzas del Modelo Estándar: la fuerza débil y la gravedad. Es esta falta de interacciones (y su pequeña masa) lo que les da su naturaleza fantasmal. Por ejemplo, el 50 por ciento de los neutrinos provenientes del sol pasarán a través de un año luz de plomo sin interactuar.

Pero imagina un neutrino, que ya casi no tiene masa, que no interactúa a través de la fuerza débil. ¿Cómo sabrían los científicos que estaban allí? Este es exactamente el desafío de buscar neutrinos “estériles”.

En el colisionador Large Electron-Positron (LEP) del CERN , los científicos midieron las partículas que emergieron de las colisiones entre electrones y positrones. Una partícula, el bosón Z, es el portador de la fuerza débil, y la rapidez con que se desintegra depende en gran medida del número de partículas a las que se acopla. Al medir las desintegraciones del bosón Z, los científicos pudieron medir con una precisión muy alta que solo tres neutrinos se acoplan a la fuerza débil: los neutrinos de electrones, muones y tau. Pero podría haber cualquier cantidad de neutrinos “estériles” adicionales que LEP no podría ver, aunque los científicos aún tendrían que averiguar por qué.

Los indicios de neutrinos estériles provienen de un par de experimentos. El experimento Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) en el Laboratorio Nacional de Los Alamos estudió un haz de desintegración en reposo compuesto principalmente de neutrinos muónicos y encontró más neutrinos electrónicos de los que predijeron. Esta fue una firma de oscilación similar a la que se había visto para los sabores de neutrinos conocidos, pero a una distancia y una combinación de energía que los investigadores no esperaban. Una señal similar en una nueva ubicación es un indicio de que un tipo desconocido de neutrino se escondía detrás de escena.

Hay mucho trabajo en curso para confirmar si esta interpretación de los resultados de LSND es correcta. Hasta ahora, los resultados de estos experimentos no han sido concluyentes. El experimento MiniBooNE en Fermilab vio indicios que también podrían interpretarse como la aparición de neutrinos de electrones adicionales debido a la existencia de neutrinos estériles, pero el experimento MINOS, el Experimento de neutrinos del reactor de Daya Bay y otros proyectos que buscaban la desaparición de neutrinos debido a neutrinos estériles no lo hicieron. ver esa señal. El programa Short Baseline Neutrino en Fermilab utilizará tres detectores de argón líquido que se encuentran actualmente en funcionamiento o en construcción. Este conjunto de proyectos tiene como objetivo responder definitivamente a esta pregunta mediante la realización de mediciones de muy alta precisión de un haz de neutrinos muón producido en Fermilab.

Mientras que los experimentos de línea de base corta buscan neutrinos estériles ligeros que transporten una cantidad relativamente pequeña de energía, en la escala de electronvoltios, podría haber diferentes neutrinos estériles a diferentes energías. Los neutrinos estériles de alrededor de 1.000 electronvoltios podrían estar relacionados con la materia oscura u otros problemas cosmológicos. Y los neutrinos de alrededor de 10 ¹³ gigaelectronvoltios podrían ser los pesados ​​neutrinos oscilantes que ayudan a explicar las pequeñas masas de neutrinos que vemos en los neutrinos ligeros conocidos. Justo por encima de esta escala, 10 ¹⁵  gigaelectronvoltios, los físicos también comienzan a hablar sobre las grandes teorías unificadas y cómo las diferentes fuerzas se relacionan entre sí.

De modo que los neutrinos estériles podrían vincularse con muchos elementos diferentes de la física. Todos los neutrinos que los científicos han visto hasta ahora son zurdos y todos los antineutrinos son diestros, pero si hubiera neutrinos diestros, podrían actuar como neutrinos estériles. Otras partículas tienen versiones para diestros y zurdos, y los neutrinos para diestros son una forma popular de agregar masas de neutrinos al modelo estándar.