El neutrino es quizás el habitante más fascinante del mundo subatómico. Casi sin masa, esta partícula fundamental sólo experimenta la fuerza nuclear débil y la fuerza de gravedad, mucho más débil. Sin más que estas débiles conexiones con otras formas de materia, un neutrino Puede atravesar toda la Tierra con sólo una pequeña posibilidad de chocar con un átomo. Los fantasmas, de los que se dice que pueden atravesar paredes, no tienen nada que ver con los neutrinos.
Las propiedades fantasmales de los neutrinos no son lo único que los diferencia de otras partículas fundamentales. Son únicos porque no tienen una identidad fija. Las tres formas conocidas de neutrinos pueden transformarse entre sí mediante un proceso cíclico llamado oscilación de neutrinos. Además de ser espectros subatómicos, también son camaleones cuánticos.
Aunque el fenómeno de la oscilación de neutrinos se ha estudiado en muchos experimentos, los datos no cuentan una historia unificada. Basándose en la evidencia de algunos experimentos, algunos científicos han comenzado a sospechar que puede haber más de tres tipos de neutrinos. Estos hipotéticos tipos adicionales de neutrinos, a diferencia de sus homólogos familiares, ni siquiera interactuarían a través de la fuerza nuclear débil y, por tanto, se denominarían estéril neutrinos.
Los neutrinos estériles no forman parte del Modelo Estándar, la teoría aceptada de la materia y la energía en el mundo subatómico. Si estos neutrinos adicionales existen, obligarán a los físicos a revisar la teoría y posiblemente a revisarla sustancialmente. Un nuevo experimento que pronto comenzará a medir puede resolver la cuestión de si investigaciones anteriores han observado neutrinos estériles O no.
Señales confusas
Los tres tipos conocidos de neutrinos son el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tau, cada uno de los cuales lleva el nombre de la partícula cargada que se produce simultáneamente con él. Al principio de nuestra comprensión de la física de neutrinos, cada uno de estos tipos parecía ser diferente de los otros dos. Sin embargo, la situación se volvió más turbia en las décadas de 1960 y 1970, cuando los experimentos comenzaron a mostrar resultados desconcertantes.
Los neutrinos electrónicos se producen en reacciones nucleares y el reactor nuclear más grande que existe es el sol. Los investigadores utilizaron la producción de energía de nuestra estrella para calcular cuántos neutrinos electrónicos esperaban que llegaran a la Tierra. Sin embargo, las mediciones arrojaron un tercio de los neutrinos electrónicos previstos. Además, se esperaba que la cascada de interacciones de partículas que resultan cuando los protones cósmicos de alta energía golpean la atmósfera de nuestro planeta produjera el doble de neutrinos muónicos que electrónicos. Sin embargo, los experimentos midieron cantidades aproximadamente iguales.
En 1957, el físico Bruno Pontecorvo hizo la atrevida propuesta de que los neutrinos podían oscilar, cambiando así su identidad. Entre 1998 y 2001, los detectores que estudiaron el flujo de neutrinos tanto del Sol como de la atmósfera terrestre demostraron que los neutrinos estaban cambiando a otros sabores en su camino hacia nosotros.
Incluso antes de estas observaciones, los investigadores utilizaron haces de partículas para investigar la posibilidad de oscilación de neutrinos. Un experimento que utilizó el detector de neutrinos con centelleo líquido (LSND) en el Laboratorio Nacional de Los Álamos produjo una muestra de muones positivos casi puros. A medida que los muones se desintegraron, crearon neutrinos de antimateria muónicos. Teniendo en cuenta la configuración del experimento, los físicos esperaban detectar neutrinos electrónicos de antimateria a una tasa de aproximadamente el 0,06 por ciento de la cantidad de neutrinos de antimateria muónicos. En lugar de eso, midieron que los neutrinos electrónicos y antimateria representaban alrededor del 0,31 por ciento de las interacciones, muy por encima de las predicciones.
Los científicos pueden determinar qué neutrino han detectado estudiando las partículas que se crean cuando los neutrinos chocan con los átomos. Cuando los neutrinos impactan un átomo de materia, los neutrinos electrónicos crearán un electrón y los neutrinos muónicos crearán un muón. Los neutrinos tau reaccionan de manera similar, pero identificar las partículas tau es un desafío.
Utilizando sus mediciones (y otras realizadas en otros lugares), los científicos del LSND concluyeron en 2001 que tres variantes de neutrinos no podían explicar simultáneamente tanto sus datos como el conjunto de mediciones de neutrinos solares y atmosféricos que existían en ese momento. Sin embargo, si hubiera un cuarto neutrino estéril, entonces los experimentos serían consistentes. El único problema fue que otras mediciones de neutrinos basadas en aceleradores no apoyaban la idea de un cuarto neutrino. Era necesaria otra medición.
Para ayudar a resolver este dilema, los investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (Fermilab) en Batavia, Illinois, construyeron MiniBooNE (Experimento Mini Booster Neutrino). La idea era construir un detector utilizando una tecnología similar a la LSND pero con una fuente diferente de partículas y capacidades de detector mejoradas para ver si los científicos podían aclarar la situación.
MiniBooNE recopiló datos de 2002 a 2018. La publicación de sus primeros resultados en 2007 descartó la explicación más simple del hallazgo de LSND, aunque sí observó un exceso diferente. Cuando los científicos recopilaron más datos y realizaron un análisis más sofisticado, concluyeron en 2018 que había un misterio persistente.
Sin embargo, otros experimentos cuentan una historia diferente. Un proyecto separado del Fermilab llamado MINOS (Búsqueda de Oscilación de Neutrinos del Inyector Principal) no encontró evidencia de neutrinos estériles. Tampoco se encontraron tales pruebas por parte del experimento cubo de hielo en la Antártida, que utiliza un kilómetro cúbico de hielo para estudiar neutrinos desde el espacio.
Los reactores nucleares proporcionan otra fuente de neutrinos electrónicos y los investigadores también los han utilizado para buscar neutrinos estériles. En 2011, los científicos informaron de un déficit del 6 por ciento de neutrinos electrónicos en un reactor en China, en comparación con lo que esperaban ver. Más recientemente, otros investigadores han afirmado que los cálculos anteriores eran erróneos y que no existe ningún déficit.
Para investigar más a fondo estas discrepancias confusas, los investigadores del Fermilab comenzaron a realizar un experimento llamado MicroBooNE en 2015. MicroBooNE, como MiniBooNE antes, utilizó neutrinos generados por el acelerador Fermilab Booster, pero ahí terminaron las similitudes. MicroBooNE era un detector mucho más sofisticado que permitía a los investigadores resolver las interacciones de neutrinos con mayor detalle, lo que reducía las ambigüedades experimentales. Los físicos esperaban que las capacidades mejoradas aclararan definitivamente si el detector MiniBooNE identificaba correctamente eventos de oscilación o si había sido engañado por una interacción similar.
Sin embargo, la medición de MicroBooNE no resolvió el problema. El experimento recopiló datos de 2015 a 2021 y los investigadores compartieron su análisis de la información de los primeros tres años en octubre de 2021. No encontraron evidencia de la existencia de neutrinos estériles.
Luego, los investigadores de MicroBooNE estudiaron sus datos e intentaron conciliarlos con el resultado anterior de MiniBooNE. Los científicos concluyeron que, aunque no pudieron confirmar el resultado de MiniBooNE, las capacidades de los dos experimentos diferían lo suficiente como para que ambas mediciones pudieran reflejar la realidad. Había llegado el momento de realizar un estudio concluyente.
Una respuesta final
Para determinar decisivamente si existen neutrinos estériles, los investigadores del Fermilab han construido dos nuevos detectores que esperan resuelvan la situación de una vez por todas. El proyecto de investigación general se denomina Programa de neutrinos de línea de base corta (SBN). El nombre refleja el hecho de que los dos detectores estarán separados por una distancia más corta que la mayoría de los experimentos de oscilación de neutrinos basados en aceleradores.
Estos detectores están ubicados a lo largo del mismo haz de neutrinos que utilizaron tanto MiniBooNE como MicroBooNE. Al igual que MicroBooNE, los dos nuevos detectores emplean argón líquido para detectar interacciones de neutrinos. El nuevo detector ubicado más cerca de la posición donde se crean los neutrinos se llama Detector cercano de línea de base corta (SBND), y el que está ubicado más lejos se llama Imágenes de señales subterráneas raras y cósmicas (ICARUS).
El método experimental básico utiliza un haz compuesto predominantemente de neutrinos muónicos, que se crea utilizando el acelerador Fermilab Booster. El haz pasará inmediatamente a través de SBND, lo que determinará la composición exacta de sus neutrinos electrónicos y muónicos. (La energía del haz será lo suficientemente baja como para que los neutrinos tau no puedan ser detectados). Luego, a unos 600 metros de Booster, el haz pasará a través de ÍCARO. Los investigadores compararán la composición del haz de neutrinos en ambos detectores y determinarán cuántos neutrinos cambiaron de sabor al pasar de un detector a otro.
Para añadir sofisticación al análisis, cada detector medirá la energía transportada por las partículas. Esto es importante porque la oscilación de los neutrinos varía con la energía, y esta capacidad adicional permite a los investigadores caracterizar la dependencia energética. Quizás lo más importante es que las mediciones determinarán tanto la desaparición de los neutrinos muónicos como la aparición de los neutrinos electrónicos. Si esos dos no se equilibran, sabremos que los neutrinos muónicos están oscilando hacia otra cosa, posiblemente neutrinos estériles.
Este programa experimental es superior a intentos anteriores por varias razones. En primer lugar, el experimento se basa en un haz de neutrinos que se ha utilizado durante décadas, lo que significa que los científicos lo han estudiado en detalle y lo comprenden. En segundo lugar, el sistema realiza dos mediciones de la composición del haz de neutrinos en lugar de depender de cálculos para estimar el contenido de neutrinos. En tercer lugar, las dos mediciones utilizan tecnología esencialmente idéntica. Esto reduce en gran medida la posibilidad de que cualquier señal observada pueda haberse originado en diferencias en cómo los dos detectores responden a los neutrinos. Finalmente, debido a la tecnología de detector común, cualquier medición errónea de la composición del haz de neutrinos en un detector coincidirá en el otro, lo que resultará en una reducción de las incertidumbres en la medición general.
ICARUS es más antiguo que SBND y es el primer gran detector de neutrinos de argón líquido. Inicialmente se construyó y se utilizó en un experimento europeo antes de ser renovado y enviado al Fermilab en 2017. Por el contrario, el SBND se construyó específicamente para el programa de neutrinos del Fermilab. Este detector está ubicado más cerca de donde se crean los neutrinos y es más pequeño que ICARUS. SBND se instaló en la línea de luz de neutrinos en abril de 2023 y sus diversos servicios eléctricos, criogénicos y de vacío se están conectando y probando. Se espera que el detector reciba su primer haz en febrero de 2024.
Que sigue
Los experimentos de física de partículas rara vez dan lugar a anuncios rápidos de resultados, y esto es especialmente cierto en el caso de los experimentos con neutrinos, que tienen tasas de interacción extremadamente bajas. Los investigadores tendrán que registrar las colisiones durante algunos años para reunir datos suficientes que permitan determinar si respaldan la hipótesis del neutrino estéril.
Aunque la búsqueda de neutrinos estériles es el objetivo principal del programa de investigación SBN, los científicos también anticipan que SBND registrará de 20 a 30 veces más interacciones entre neutrinos y átomos de argón que las observadas en el pasado. Esto proporcionará una aportación importante a otro esfuerzo de neutrinos del Fermilab, el próximo Experimento de neutrinos subterráneos profundos (DUNE). DUNE, que será mucho más grande que cualquier cosa anterior, estará ubicada a unos 1.300 kilómetros de Fermilab en una caverna que actualmente está siendo excavada a unos 1,5 kilómetros bajo tierra en una mina de oro abandonada en Dakota del Sur. DUNE investigará características de la oscilación de neutrinos que difieren de las estudiadas por SBN y se centrará en la cuestión de si los neutrinos de materia y antimateria oscilan de la misma manera. DUNE se encuentra actualmente en construcción y se espera que comience a operar a finales de la década de 2020 o principios de la de 2030. Más allá de las investigaciones cruciales de SBN sobre neutrinos estériles, la mejor comprensión de las interacciones neutrino-materia posible gracias a este programa informará los análisis DUNE, lo que dará como resultado conclusiones más rápidas.
El neutrino tiene una larga historia que ha desconcertado a los científicos, desde que se propuso por primera vez la partícula en 1930 hasta el descubrimiento en 1962 de que había múltiples tipos de neutrinos y la demostración a principios del siglo XXI de que los neutrinos podían transformar su identidad. Si resulta que existen neutrinos estériles, los físicos tendrán que añadir otra sorpresa a la lista. Cualquiera que sea el resultado, está claro que el humilde neutrino todavía tiene historias que contar.