El extraño exceso de neutrinos no desaparecerá, sugiere una nueva física

Hay varios indicios de que nuestra comprensión actual de las partículas y fuerzas que rigen la materia normal es incorrecta. Muchas de estas áreas parecen involucrar neutrinos, y eso se debe en parte a que estas partículas rara vez interactúan con la materia normal, lo que las hace increíblemente difíciles de detectar.

Pero gradualmente hemos mejorado en la construcción de detectores, lo que nos ha permitido descubrir que los neutrinos tienen masa (algo que no se menciona en el Modelo Estándar) y cambiar entre diferentes identidades a medida que viajan. Pero el proceso también ha revelado algunas rarezas persistentes. Una rareza es un exceso de larga duración en un tipo de neutrino, descrito por primera vez por investigadores de Los Alamos en la década de 1990. Lo mismo se observó en Fermilab en las ejecuciones iniciales de un experimento llamado MiniBooNE, pero ninguno de ellos recopiló suficientes datos para anunciar el descubrimiento.

Ahora Fermilab está de vuelta con su última actualización, utilizando dos años adicionales de datos MiniBooNE. El exceso todavía está allí, y se ha acercado aún más a los estándares estadísticos para el descubrimiento. Si combina los datos de Fermi y Los Alamos, ya estamos allí. Se parece cada vez más a otra ruptura en el Modelo Estándar, y las posibles explicaciones incluyen un tipo de neutrino completamente nuevo.

Ver neutrinos

Los neutrinos tienen una cantidad de propiedades inusuales. Son de lejos la partícula más liviana que hemos descubierto, tan liviana que si les das un impulso razonablemente enérgico, su viaje puede ser estimado con precisión suponiendo que se muevan a la velocidad de la luz. Solo interactúan con otras materias a través de la fuerza débil, y lo hacen solo en raras ocasiones; necesitas aproximadamente un año luz de plomo para tener una buena oportunidad de detener una. Ellos también carecen de una identidad determinada. En cambio, un neutrino se mezclará entre los tres tipos conocidos mientras viajan en un proceso llamado “oscilaciones de sabor”. Incluso hay algunas indicaciones de que los neutrinos y antineutrinos son las mismas partículas, que difieren solo en términos de la orientación de su giro.

El seguimiento de los neutrinos depende de las interacciones entre una partícula y nuestro hardware detector; la rareza de estas interacciones hace que los neutrinos sean difíciles de detectar. La solución a este problema generalmente ha sido hacer muchos neutrinos. El experimento de Daya Bay estaciona sus detectores cerca de algunos reactores nucleares , que bombean una enorme cantidad de neutrinos. Fermilab ha utilizado parte de la cadena del acelerador de su antigua pieza central, el acelerador Tevatron, para aplastar protones en un objetivo estacionario.

Este proceso no produce neutrinos directamente, pero genera grandes cantidades de una partícula inestable llamada pión. Un pión está cargado y puede dirigirse hacia una viga. Cuando un pión se descompone, produce un neutrino que se desplaza aproximadamente en la misma dirección (los piones cargados positivamente producen neutrinos cuando se desintegran, los cargados negativamente producen antineutrinos). Estos pueden enviarse a detectores que están a cientos de kilómetros de distancia, ya que el rayo viajará a través de la Tierra sin que muchos de sus neutrinos interactúen con nada. A grandes distancias, los neutrinos tienen tiempo suficiente para cambiar a una nueva identidad, lo que nos permite estudiar las oscilaciones del sabor.

Pero Fermilab también tiene algunos detectores cerca del origen de los neutrinos. Esto les permite probar la nueva tecnología del detector y garantizar que el haz enviado a los objetivos distantes tenga las propiedades que esperamos. Y también brinda la oportunidad de determinar si las oscilaciones de sabor ocurren en escalas de tiempo más cortas de lo que esperamos.

MiniBooNE sirve para dos de estos propósitos. Es “mini” porque los investigadores esperaban que una prueba exitosa del detector condujera a la construcción de una versión de tamaño completo (BooNE significa “experimento de refuerzo de neutrinos”). Pero ahora ha estado recolectando datos por más de 15 años, dando a los investigadores un sentido fuerte de cualquier fuente de señales extrañas en el detector.

Exceso

Desde 2002, el detector ha examinado los neutrinos producidos por más de 10 ²¹ protones que impactan en sus objetivos, aproximadamente divididos en partes iguales entre la selección de neutrinos y antineutrinos. Parte de esa información se había analizado antes, pero los investigadores ahora han vuelto y han agregado dos años de datos adicionales, duplicando aproximadamente el número de colisiones que están viendo.

El haz en sí es principalmente neutrinos de muón, pero los nuevos datos muestran un exceso bastante dramático de neutrinos de electrones. Los experimentos centrados en neutrinos vieron 381 eventos más que los 1.578 esperados (una diferencia de 4.5 sigma), mientras que los experimentos con antineutrinos tuvieron 461 detecciones adicionales en comparación con las 1.977 esperadas, una diferencia de 4.8 sigma. La física requiere una significación estadística de cinco sigma para declarar descubrimiento; MiniBooNE es tentadoramente cercano y probablemente estará allí en los próximos dos años. Pero los investigadores también combinaron su análisis con los datos producidos en Los Álamos y obtuvieron una diferencia de 6.1 sigma. Esto es claramente en el punto donde tenemos que tomarlo en serio.

Todos estos datos significan que debemos tratar de encontrar algo para explicar por qué vemos tantos de estos neutrinos. Los físicos, al ser amables, han encontrado al menos seis explicaciones. Pero varias de sus explicaciones se centran en un tipo de neutrino adicional propuesto, llamado neutrino estéril.

Por razones que no entendemos, todas las partículas que no llevan la fuerza y ​​que conocemos vienen en grupos de tres. Hay tres leptones cargados (electrones, muones y taus) y dos conjuntos de tres quarks. Hemos identificado tres tipos de neutrinos, y algunas indicaciones de la cosmología sugieren que eso es todo lo que vamos a ver. Pero algunos investigadores han propuesto un tipo de neutrino que no interactúa a través de la fuerza débil, dejando que sus únicas interacciones lleguen por la gravedad. (La falta de interacciones condujo a la etiqueta “estéril”).

Los neutrinos estériles pueden, sin embargo, participar en oscilaciones de sabor. Esto daría un camino adicional por el cual los neutrinos muónicos producidos en las caries podrían oscilar en neutrinos electrónicos, habiendo pasado un poco de tiempo como neutrinos estériles en el medio. Si bien se omitiría cualquier neutrino estéril, MiniBooNE captaría los neutrinos electrónicos en los que oscilan, produciendo el exceso que observaríamos. Esta no es la única explicación posible, pero es posiblemente la más limpia.

El desafío se convierte en uno de averiguar cómo demostrar que esto está sucediendo cuando no hay posibilidad de detectar un neutrino estéril directamente. Es probable que tome otros signos de oscilaciones de sabor adicionales (neutrinos que desaparecen de un haz a medida que oscilan en otros estériles, por ejemplo) para dar soporte experimental a esta idea. Pero, mucho antes de que lleguemos a ese nivel de evidencia, tendremos una muy buena idea de que hay comportamientos que no pueden ser explicados por el Modelo Estándar, que será suficiente para mantener felices a los físicos.