15 Noviembre 2016

MINOS y Daya Bay unen fuerzas para buscar la existencia de neutrinos estériles

Dos grandes colaboraciones internacionales en las que participa la UC unieron sus fuerzas para publicar un artículo que arroja nuevas luces sobre una de las preguntas más importantes de la física de partículas: ¿existen los neutrinos estériles?

Symmetry MagazineEn la década de los noventa, mientras los científicos del Laboratorio Nacional de Los Alamos estudiaban las oscilaciones de neutrinos -la extraña habilidad que tienen estas partículas para cambiar de un tipo a otro-, aparecieron los primeros indicios de un nuevo tipo de neutrino, distinto a los tres ya conocidos: electrón, muón y tau. Esto ocurrió cuando el experimento LSND en Los Alamos alertó sobre evidencia de neutrinos muón que se transformaron en neutrinos electrón. Sin embargo, el cambio de estado (oscilación) ocurrió mucho más rápido de lo visto por los observatorios de neutrinos Super-Kamiokande y SNO, cuyos líderes Takaaki Kajita y Arthur McDonald recibieron el Nobel de Física en 2015.

Si los resultados de LSND son correctos, la explicación más directa sería la existencia de un cuarto tipo de neutrino. Esto sería un descubrimiento digno de otro Premio Nobel, con enormes consecuencias en física y astronomía, ya que tendría que ser un neutrino mucho más extraño que cualquiera visto antes: un neutrino 'estéril'. Esto significa que este neutrino tendría masa pero que no interactuaría con la materia excepto por la gravedad. Esta exótica partícula podría ser una pieza clave para resolver muchos de los acertijos en astrofísica y cosmología, como la existencia de la materia oscura.

Durante los últimos veinte años se han realizado distintos experimentos que buscan confirmar o refutar los hallazgos del LSND, pero los resultados no han sido concluyentes. El nuevo resultado de los experimentos MINOS y Daya Bay sugiere fuertemente que, después de todo, los neutrinos estériles no explican los resultados del LSND.

El experimento MINOS utiliza un haz intenso de neutrinos muón que viajan 735 kilómetros bajo tierra desde el Laboratorio Nacional de Fermi, en Chicago, hasta el Laboratorio Subterráneo de Soudan, al norte de Minnesota. MINOS ha realizado importantes mediciones para estudiar cómo estos neutrinos desaparecen mientras viajan entre los dos detectores. La existencia del neutrino estéril podría provocar su desaparición a una tasa mayor de lo que uno esperaría si estos no existieran. Científicos del experimento MINOS han asegurado que esto no sucede.

Copyright Lawrence Berkeley National LaboratoryEl experimento Daya Bay, en tanto, estudia antineutrinos electrón (la antipartícula de los neutrinos electrón) provenientes de una planta nuclear en la provincia de Guangdong en China. Daya Bay observó que algunos de estos antineutrinos desaparecen y midió, por primera vez, uno de los parámetros que rigen las oscilaciones de neutrinos, lo que fue reconocido por el Breakthrough Prize in Fundamental Physics en 2016. Un neutrino estéril podría afectar la tasa a la cual desaparecen los antineutrinos, pero los científicos de Daya Bay no encontraron evidencia para respaldar esa afirmación.

El problema es que ni los resultados de MINOS ni los de Daya Bay son suficientes por sí solos para resolver el problema que el LSND planteó veinte años atrás. "Los resultados individuales de MINOS y Daya Bay sobre la desaparición de estas partículas no pueden ser comparados directamente con las mediciones realizadas en el LSND", explica En-Chuan Huang, investigador de Daya Bay, el Laboratorio Los Alamos y la Universidad de Illinois. "Revisar múltiples tipos de neutrinos en conjunto nos entrega un argumento más fuerte sobre los neutrinos estériles". El experimento LSND registró la transformación de un antineutrino muón en un antineutrino electrón, así que para intentar reproducir las observaciones del LSND, los científicos deben mirar simultáneamente ambos tipos de neutrinos. Aquí es donde la colaboración entre Daya Bay y MINOS se concreta.

"No es común que dos experimentos de esta magnitud trabajen así juntos", asegura Adam Aurisano, investigador de MINOS y la Universidad de Cincinnati. "Pero para hacer una afirmación certera acerca de la evidencia del LSND sobre neutrinos estériles debemos considerar los datos de Daya Bay respecto al antineutrino electrón y los de MINOS sobre el neutrino muón y analizarlos de manera conjunta". El resultado es una publicación que excluye la mayor parte de los escenarios posibles de oscilación de neutrinos estériles que podrían explicar el resultado de LSND.

"Este es un resultado muy importante ya que arroja mucha luz sobre un problema que lleva más de 20 años sin resolverse", dice Juan Pedro Ochoa-Ricoux, profesor del Instituto de Física y líder del grupo de la UC que participa en Daya Bay. "Hubiera sido sumamente emocionante el haber encontrado un neutrino estéril, pero hasta ahora no ha sido el caso" dice Ochoa-Ricoux, quién realizó su tesis de doctorado en MINOS pero que lleva siete años trabajando en Daya Bay.

Los resultados de este trabajo conjunto disminuyeron significativamente la posibilidad de 'escondite' para un neutrino estéril, y proveen algunos de los límites experimentales más precisos del mundo sobre su existencia. Los experimentos MINOS y Daya Bay están continuamente analizando datos y se espera una búsqueda aún más precisa del neutrino estéril. "El neutrino es la partícula fundamental más extraña que se haya detectado hasta ahora", dice Ochoa-Ricoux, "y la historia sugiere que podrían venir más sorpresas".
Los resultados fueron publicados en la prestigiada revista "Physical Review Letters", y pueden ser encontrados en estos enlaces:
Artículo 1: Improved Search for a Light Sterile Neutrino with the Full Configuration of the Daya Bay Experiment
Artículo 2: Limits on Active to Sterile Neutrino Oscillations from Disappearance Searches in the MINOS, Daya Bay, and Bugey-3 Experiments

Ambos artículos tienen puntajes que los ubican en el 5% más alto de los artículos calificados por Altmetric.

*Crédito de imagen 1: Symmetry Magazine / Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha

*Imagen 2: Lawrence Berkeley National Laboratory