Al analizar los datos recopilados hace más de ocho años, Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y del Laboratorio Acelerador Nacional Fermi han hecho un descubrimiento potencialmente revolucionario.

En 2002, Los científicos comenzaron el Experimento Booster Neutrino, conocido como MiniBooNE, en Fermilab para obtener más información sobre cómo los neutrinos, muy ligeros, partículas fundamentales neutrales:interactúan con la materia. Los científicos volvieron a examinar recientemente los datos del experimento realizado entre 2009 y 2011, y encontraron la primera evidencia directa de neutrinos monoenergéticos, o neutrinos con energía definida, que son lo suficientemente enérgicos como para producir un muón.

Los neutrinos son extremadamente ligeros y solo están influenciados por la fuerza subatómica débil, por lo que rara vez interactúan con la materia. De hecho, podrían viajar a través de años luz de plomo antes de interactuar con él. Las partículas son muy difíciles de detectar, pero no es difícil de crear. Debido a la elusividad del neutrino, los científicos tienen que trabajar con haces compuestos por un gran número de partículas. Disparan los rayos a los núcleos en un detector, esperando que los neutrinos choquen con el material objetivo.

"Una complicación del uso de estos grandes haces es que las energías de los neutrinos son muy variadas y algo impredecibles, "dijo el físico de Argonne Joe Grange, uno de los científicos que ayudó a descubrir neutrinos monoenergéticos. "Esto dificulta la interpretación completa de los datos".

El nuevo descubrimiento podría ayudar a los experimentadores a resolver este problema. Los científicos se dieron cuenta de que se estaban liberando neutrinos monoenergéticos desde una línea de luz de neutrinos cercana en Fermilab, y decidieron mirar los datos de MiniBooNE para ver si alguno de estos neutrinos fue detectado durante ese experimento.

Bastante seguro, El análisis de los datos de MiniBooNE mostró evidencia de miles de colisiones neutrino-núcleo donde todos los neutrinos comenzaron con la misma energía, 236 megaelectronvoltios (MeV). Durante el experimento MiniBooNE, las partículas llamadas kaones creadas en un absorbedor de protones de otro experimento se descomponen en partículas llamadas muones y neutrinos muónicos. Los neutrinos muónicos luego viajaron al detector MiniBooNE. Debido a que los kaones estaban en reposo cuando decayeron, y debido a que se descompusieron en solo dos partículas, todos los neutrinos tenían la misma cantidad de energía inicial antes de chocar con los núcleos del detector MiniBooNE.

La desintegración de un kaón es una reacción bien conocida. "Con este descubrimiento, podemos mejorar nuestra comprensión de cómo los neutrinos interactúan con la materia y también planificar experimentos futuros que podrían aprovechar esta interacción para la búsqueda de nuevos procesos físicos, "dijo Grange. Canalizar esta desintegración como una fuente de neutrinos para experimentos eliminaría la incertidumbre de las energías de los neutrinos, haciendo los análisis más simples y potencialmente más esclarecedores.

Además de inspirar futuras configuraciones experimentales, los datos también están ayudando a los científicos a aprender sobre el comportamiento de los núcleos cuando son bombardeados con neutrinos y pueden ayudarlos a refinar los modelos de las interacciones. Cuando un neutrino muón choca con un núcleo en un detector, puede emerger un muón que tenga una de una gama de energías diferentes. Es este espectro de posibles energías de los nuevos muones lo que los científicos observaron directamente en este estudio, y habla de la forma en que el neutrino transfiere energía al núcleo al entrar en contacto.

"Se ha trabajado mucho disparando electrones a los núcleos y viendo cómo se comportan electromagnéticamente, ", dijo Grange." Pero se ha trabajado menos para ver cómo los neutrinos interactúan débilmente debido a lo difícil que es trabajar con los neutrinos ".

El aspecto experimental de este descubrimiento también podría ayudar a los científicos a buscar el neutrino estéril teorizado, un neutrino que solo interactúa a través de la fuerza gravitacional y no la fuerza débil. Un experimento de mediados de la década de 1990 en el Laboratorio Nacional de Los Alamos del DOE arrojó datos de neutrinos que eran incompatibles con los datos de un experimento separado en el laboratorio europeo CERN. y esa discrepancia podría explicarse por la existencia de esta partícula "fantasma".

El objetivo original del experimento MiniBooNE era confirmar o refutar la existencia de neutrinos estériles. Aunque el experimento puede resultar inconcluso, el nuevo descubrimiento de las profundidades de sus datos podría ayudar a los futuros experimentadores a detectar su existencia. Los científicos ya están trabajando en experimentos que utilizarán neutrinos de esta desintegración de kaones específica para buscar neutrinos estériles.

"Es una bonita historia sobre cómo pasaron casi cinco años antes de que nos diéramos cuenta de que había algo importante en los datos, "dijo Grange." La moraleja de la historia es mantener todos los datos y seguir pensando en qué otra información hay allí que aún no ha extraído ".

Los resultados del estudio se publicaron en un artículo titulado "Primera medición de interacciones de corriente cargadas de neutrino muón monoenergético" en Cartas de revisión física .