Física de partículas: el gran misterio de los neutrinos pronto se resolverá

Una de las preguntas más persistentes sobre los objetos más extraños de la física de partículas podría tener respuesta a finales de esta década. Según nuevos cálculos, los experimentos de neutrinos en curso y planificados para 2030 responderán definitivamente cuál de los tres tipos tiene la masa más pequeña y cuál tiene la masa más grande. En su análisis publicado en diciembre de 2023, investigadores dirigidos por Carlos Argüelles-Delgado de la Universidad de Harvard en Cambridge han demostrado que no sólo será importante la combinación de datos de diferentes experimentos, sino que también jugarán los llamados neutrinos atmosféricos. un papel crucial debería hacerlo. Se producen cuando los rayos cósmicos de alta energía chocan contra las moléculas de la atmósfera terrestre.

Hay tres tipos de neutrinos: neutrinos electrónicos, muónicos y tau. Toman su nombre de las tres partículas elementales con las que se encuentran juntos. Pero aún no está del todo claro si su jerarquía de masas (entre los llamados leptones, el electrón es el más ligero, el tau el más pesado) también corresponde al orden de masas de los neutrinos (por lo tanto, el neutrino electrónico sería el más ligero). En teoría, los neutrinos podrían volver a ser valores atípicos en el modelo estándar de la física de partículas. Esto tendría consecuencias dramáticas para los modelos de la evolución del universo. Debido a que los neutrinos circulan en cantidades enormes (hay mil millones de ellos por cada átomo en el universo), incluso pequeñas diferencias habrían tenido un impacto importante en la formación inicial de materia y antimateria poco después del Big Bang y en la formación de la estructura cósmica. . En realidad, los neutrinos son extremadamente volátiles y casi nunca aparecen, que es precisamente lo que los hace tan difíciles de detectar en los detectores de la Tierra actuales.

Los neutrinos son muy difíciles de estudiar porque penetran fácilmente en cualquier materia y rara vez interactúan con otras partículas. Por eso los detectores terrestres suelen contener volúmenes gigantescos bien protegidos de otros efectos perturbadores de partículas. De este modo se pueden registrar, al menos ocasionalmente, los destellos de luz individuales que se producen cuando un neutrino interactúa con un material detector transparente, como por ejemplo agua de alta pureza. En el Observatorio IceCube, en el Polo Sur, por ejemplo, varios miles de sensores estuvieron sumergidos en hielo durante kilómetros.

Los cuatro físicos de neutrinos involucrados en la nueva publicación están trabajando con datos de dichos detectores: Argüelles-Delgado es parte de la colaboración IceCube. Sin embargo, los autores enfatizan que sólo una combinación de los resultados de todos los experimentos en curso y planificados conducirá a un progreso rápido. El enorme tamaño del detector IceCube le permite detectar neutrinos de muy alta energía; Para muestras ligeramente más lentas, son más adecuados detectores como el Super-Kamiokande japonés y su sucesor, el Hyper-Kamiokande, que entrará en funcionamiento alrededor de 2026.

Neutrino, neutrino, debes vagar, de un tipo a otro.

En la búsqueda de las masas de los tres tipos de neutrinos, dos propiedades de estas partículas son cruciales: por un lado, su energía y, por otro, la distancia que han recorrido desde que fueron creadas. Esto se debe a un fenómeno llamado oscilación de neutrinos: los tres tipos de neutrinos se transforman entre sí periódicamente y dependiendo de la relación entre la distancia y la energía durante su viaje, de modo que, por ejemplo, una partícula que comenzó como un neutrino electrónico tiene la posibilidad de de convertirse en muón después de algún tiempo Registre el neutrino. Este fenómeno sólo es posible porque los neutrinos tienen masa, lo que no está previsto en el modelo estándar de física de partículas. Pero sólo así se podía explicar, por ejemplo, por qué en las mediciones realizadas en la Tierra parecía haber un déficit de neutrinos electrónicos procedentes del Sol. La detección de tales oscilaciones fue galardonada con el Premio Nobel de Física en 2015.

Según los investigadores liderados por Argüelles-Delgado, los neutrinos atmosféricos ofrecen un amplio espectro tanto en términos de energías como de distancias recorridas, ideal para estudios en profundidad de la oscilación y por tanto de las relaciones exactas de masa. Sus energías oscilan entre 0,01 y 10.000 gigaelectronvoltios (una unidad de energía común en la física de partículas); Han recorrido distancias entre 15 y 12.700 kilómetros (dependiendo del lugar del mundo en el que estén registrados). Los físicos señalan que muchos experimentos de precisión en física de neutrinos durante las últimas dos décadas se han centrado en medir neutrinos creados en aceleradores de partículas, reactores nucleares o en el sol. Pero los neutrinos atmosféricos podrían proporcionar datos particularmente buenos sobre algunas cifras clave. Estos por sí solos, cuando se combinan con otros resultados, prometen un rápido progreso en la cuestión del orden de masa de los neutrinos.

Los físicos calcularon cómo oscilaban los diferentes neutrinos con diferentes energías a medida que pasaban por la Tierra y simularon en detalle qué tan bien registrarían varios experimentos las partículas entrantes y qué información se podría extraer de ellas. A partir de los datos existentes y los datos futuros esperados, finalmente han logrado estimar cuándo se resolverá el misterio de las masas de los neutrinos. Hasta finales de la década, los neutrinos atmosféricos por sí solos deberían permitir determinar de forma fiable, según los estándares habituales de la física de partículas, si las masas de los neutrinos siguen la jerarquía normal de los leptones o si su orden es inverso al de los electrones, los muones. y tauones. Otras incógnitas, como la contribución de los neutrinos a las llamadas violaciones de la simetría CP, que también desempeñan un papel en muchos otros procesos en el mundo de las partículas, probablemente se aclararán en gran medida para 2030. Los autores también señalan que hicieron estimaciones conservadoras: No se ha tenido en cuenta el potencial de realizar evaluaciones más precisas con la ayuda del aprendizaje automático y de mediciones más sensibles utilizando sensores técnicamente avanzados.

El análisis estadístico subraya la importancia de la colaboración científica, incluso más allá de los límites del proyecto. Ninguna fuente de neutrinos ni ningún detector por sí solo podrían producir suficientes datos de medición en los próximos años para desentrañar finalmente algunos de los mayores misterios de los neutrinos. Pero el estudio muestra que esto es exactamente lo que podemos lograr juntos. Si contrariamente a lo esperado se hubieran producido inconsistencias, por ejemplo diferentes propiedades entre los neutrinos atmosféricos y los que provienen de las profundidades del cosmos, entonces las partículas habrían demostrado una vez más que de ellas se puede esperar sobre todo una cosa: nuevas sorpresas.