libro blanco de estas partículas revolucionarias

Los neutrinos son partículas subatómicas diminutas que han centrado gran parte de la atención de la física desde hace décadas. Estas partículas casi imperceptibles atraviesan la materia sin apenas interactuar. De hecho, atraviesan la Tierra y, aunque son casi indetectable, hemos aprendido a «verlas». Desde el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, que demuestran que tienen masa, hasta las anomalías experimentales aún sin resolver, estas partículas nos obligan a replantear nuestra comprensión del universo. Definitivamente, los neutrinos tienen el potencial de producir una revolución en la física.

En el artículo «White paper on light sterile neutrino searches and related phenomenology», publicado en el Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, más de 170 científicos revisan lo que sabemos sobre los neutrinos y establecen prioridades para la próxima década de investigación. Este documento realiza una revisión de los avances recientes y presenta las preguntas abiertas. Este «libro blanco» se centra en las anomalías que podrían revelar la existencia de neutrinos estériles, partículas hipotéticas que no interactúan mediante las fuerzas fundamentales conocidas.

¿Qué sabemos sobre los neutrinos?

Un modelo ampliado gracias a las oscilaciones

El descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos marcó un hito en la física. Fue una predicción del italiano  Bruno Pontecorvo en 1957. Estas oscilaciones, que implican la transformación entre tres tipos de neutrinos —electrónico, muónico y tauónico—, demostraron que los neutonios tienen masa. Este hallazgo hizo tambalear el modelo estándar, pues consideraba que los neutonios no tenían masa. Ahora, el modelo estándar ampliado incluye tres estados de masa de neutrinos, definidos como combinaciones lineales de los tres tipos detectables.

Este modelo podría considerar se como un caso de éxito, no obstante, sigue siendo incompleto. No sabemos por qué los neutrinos tienen masa ni cuál es el mecanismo detrás de ello. Entre las hipótesis más debatidas está el mecanismo seesaw, que sugiere la existencia de partículas adicionales, como los neutrinos estériles, para explicar las masas extremadamente pequeñas de los neutrinos conocidos. Este modelo podría ser una ventana hacia una nueva física que trascienda el modelo estándar. El nombre de mecanismo de seesaw fue acuñado por Tsutomu Yanagida en una conferencia de Tokio en 1981. En inglés, seesaw significa «balancín» y denota que hay dos variables que no pueden subir y bajar a la vez, sino que mientras que una sube, la otra baja.

Anomalías que desafían el modelo estándar

A pesar de los avances, se han detectado anomalías que el modelo estándar no explica. Por ejemplo, experimentos como LSND y MiniBooNE han observado señales inesperadas, como un exceso de neutrinos electrónicos en contextos donde no deberían aparecer. Estas anomalías han llevado a postular la existencia de neutrinos estériles, que podrían oscilar con los neutrinos conocidos, pero no interactuarían directamente con la materia.

Otras anomalías, como el déficit de neutrinos detectados en reactores nucleares (anomalía del reactor) y experimentos con fuentes radiactivas (anomalía del galio), también respaldan esta hipótesis. Sin embargo, la falta de confirmación en otros experimentos complica la interpretación, y podría haber explicaciones alternativas, como errores en los modelos de flujo de neutrinos o efectos inesperados en los detectores.

¿Qué podemos saber?

El enigma de los neutrinos estériles

Los neutrinos estériles representan una de las mayores incógnitas. Estas partículas no interactúan con las fuerzas conocidas (excepto la gravedad) y serían evidencias de física más allá del modelo estándar. Los datos actuales no descartan su existencia, pero tampoco la confirman de manera concluyente.

Si existen, podrían explicar fenómenos como el desequilibrio entre materia y antimateria en el universo. Según el libro blanco, resolver estas anomalías tendría «implicaciones revolucionarias no solo para la física de partículas, sino también para la cosmología y la astrofísica». Por otra parte, la detección de neutrinos estériles abriría una puerta hacia el entendimiento de sectores ocultos de partículas, posibles candidatos a la materia oscura.

La importancia de los experimentos complementarios

Para resolver estas dudas, el libro blanco enfatiza la necesidad de combinar diferentes enfoques experimentales. Detectores de neutrinos atmosféricos, reactores nucleares y experimentos de líneas de base corta y larga ofrecen datos complementarios. El experimento BEST, por ejemplo, ha aportado nueva información sobre la anomalía del galio, mientras que investigaciones con el observatorio IceCube han buscado firmas de neutrinos estériles a través de sus interacciones en el hielo antártico. Este enfoque multidisciplinario es clave para discriminar entre las diferentes hipótesis teóricas.

La gráfica de las anomalías en los neutrinos

Vamos a analizar la figura 1 del paper paso a paso, describiéndola de manera sencilla y para que entiendas la importancia de la «anomalía».

¿Qué muestra la figura 1?

La figura 1 representa los eventos detectados en el experimento LSND relacionados con los neutrinos. Este experimento buscaba confirmar un fenómeno llamado oscilación de neutrinos, es decir, cómo los neutrinos pueden cambiar de tipo mientras viajan. En particular, LSND detectó más neutrinos electrónicos de lo esperado. Este exceso es lo que llamamos una «anomalía».

En el gráfico los ejes se describe de la siguiente manera:

• El eje horizontal (L/E) muestra la relación entre la distancia recorrida por los neutrinos (L) y su energía (E). Esta relación es importante porque las oscilaciones dependen de estos dos factores.
• El eje vertical representa el número de eventos detectados (los neutrinos que «aparecieron» como electrónicos).

Los puntos azules son los datos reales del experimento, mientras que las curvas de color (en azul y rojo) indican los modelos teóricos que intentan explicar esos datos. Estas curvas muestran la probabilidad de que un neutrino muónico (otro tipo de neutrino) se transforme en un neutrino electrónico.

¿Por qué es importante la figura 1?

La figura ilustra el exceso de eventos (los puntos que no encajan bien con el modelo estándar), lo que sugiere que algo más está ocurriendo. Este «algo» podría ser la presencia de un neutrino estéril, una partícula desconocida hasta ahora.

¿Qué representa la figura 2?

Esta figura muestra las regiones permitidas de los parámetros de oscilación (como la frecuencia y amplitud de las oscilaciones de neutrinos) en base a los datos del experimento LSND.

En términos simples:

• El gráfico está dividido en regiones de color que indican las posibles combinaciones de parámetros donde las oscilaciones detectadas por LSND podrían explicarse.
• Los ejes representan los valores de estos parámetros:
  • Eje horizontal: Diferencia de masa entre los neutrinos involucrados en la oscilación (Δm²).
  • Eje vertical: Amplitud de la oscilación (qué tan probable es que un neutrino cambie de tipo, representado por sin²(2θ)).

Las regiones coloreadas corresponden a niveles de confianza del 90% y 99%, es decir, las áreas donde los datos son más consistentes con los modelos.

¿Por qué es importante la figura 2?

La figura no solo resume las conclusiones de LSND, sino que también compara estas con experimentos contemporáneos que no detectaron anomalías (como KARMEN). Esto ayuda a visualizar las tensiones entre los resultados de diferentes experimentos, que aún hoy generan debate en la física de partículas.

El camino hacia el futuro: los grandes proyectos internacionales

Proyectos clave: DUNE e Hyper-K

La próxima década estará marcada por experimentos ambiciosos que buscan ampliar nuestro conocimiento de los neutrinos. En Estados Unidos, el experimento DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) investigará propiedades fundamentales de los neutrinos, como sus oscilaciones y posibles interacciones con estados estériles. Este proyecto utilizará un haz de neutrinos de alta intensidad que recorrerá 1.300 kilómetros desde Fermilab hasta detectores subterráneos en Dakota del Sur.

En Japón, el experimento Hyper-Kamiokande (Hyper-K) se centrará en neutrinos atmosféricos y de supernovas, buscando señales de nuevas interacciones.

Ambos proyectos sobresalen por su escala y precisión. Se espera que proporcionen respuestas definitivas a varias preguntas abiertas. Un punto importante es que estos experimentos están diseñados para colaborar a nivel internacional, algo esencial para facilitar el intercambio de datos y análisis conjuntos.

La necesidad de una visión global

El libro blanco señala que estos proyectos deben complementarse con iniciativas más pequeñas pero igualmente importantes. Experimentos como JUNO en China, dedicado al estudio de oscilaciones, y proyectos europeos centrados en detectores innovadores, contribuyen a diversificar el panorama. Esta visión global permitirá abordar los retos desde múltiples ángulos, aumentando las probabilidades de éxito.

Retos tecnológicos y colaboración científica

Detectores más sensibles y versátiles

Uno de los mayores desafíos en la investigación de neutrinos es la construcción de detectores lo suficientemente sensibles para captar señales extremadamente débiles. Los avances en tecnología de detección, como el uso de materiales más eficientes para capturar neutrinos, son fundamentales. Un ejemplo son los detectores basados en argón líquido, como los que se utilizarán en DUNE, que permiten medir con mayor precisión las interacciones.

Hay que tener en cuenta también que la capacidad de estos detectores para operar a gran escala y durante largos periodos es crucial. Esto implica desarrollar sistemas de monitoreo que minimicen los errores y mejoren la calidad de los datos recolectados. La innovación tecnológica será clave para el éxito de estos proyectos internacionales.

Fomentar la colaboración interdisciplinaria

Otro reto importante es coordinar a una comunidad científica diversa y dispersa. El libro blanco enfatiza la importancia de una colaboración interdisciplinaria, que combine expertos en física teórica, ingeniería y análisis de datos. Esto no solo maximizará el impacto de los experimentos, sino que también garantizará que los resultados sean interpretados desde múltiples perspectivas.

Más allá de la física de partículas

Impacto en cosmología y astrofísica

Resolver los misterios de los neutrinos no solo ampliará nuestro conocimiento de la física de partículas, sino que también tendrá un impacto significativo en otras áreas. La comprensión de los neutrinos estériles podría ayudar a explicar la composición de la materia oscura, uno de los mayores enigmas de la cosmología moderna.

Los neutrinos también desempeñan un papel clave en eventos cósmicos extremos, como explosiones de supernovas. Estudiar sus propiedades podría ofrecer nuevas herramientas para investigar estos fenómenos, proporcionando información valiosa sobre la dinámica del universo.

Repercusiones tecnológicas y sociales

La tecnología desarrollada para estudiar neutrinos también tiene aplicaciones prácticas. Desde avances en materiales hasta técnicas de procesamiento de datos, estos proyectos impulsan la innovación en múltiples campos. Su impacto educativo es significativo, ya que inspiran a nuevas generaciones de científicos y fomentan la divulgación del conocimiento.

Referencias

• M. A. Acero, C. A. Argüelles, M. Hostert, et al. “White paper on light sterile neutrino searches and related phenomenology”, Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, vol. 51, no. 120501, 2024. DOI: 10.1088/1361-6471/ad307f