Los científicos estudian partículas diminutas llamadas neutrinos para aprender cómo evolucionó nuestro universo. Estas partículas, conocido por ser difícil de detectar, podría contar la historia de cómo la materia ganó a la antimateria una fracción de segundo después del Big Bang y, como consecuencia, por qué estamos aquí en absoluto.

Llegar al fondo de esa historia de una fracción de segundo significa descubrir las diferencias, Si alguna, entre el neutrino y su contraparte de antimateria, el antineutrino.

El experimento de neutrinos MINERvA en Fermilab agregó recientemente algunos detalles a los perfiles de comportamiento de neutrinos y antineutrinos:los científicos midieron la probabilidad de que estas famosas partículas fugaces se detuvieran en el detector MINERvA. En particular, observaron casos en los que un antineutrino que interactuaba en el detector producía otra partícula, un neutrón, esa partícula familiar que, junto con el protón, constituye el núcleo de un átomo.

Los estudios de MINERvA de tales casos benefician a otros experimentos con neutrinos, que pueden usar los resultados para refinar sus propias medidas de interacciones similares.

Es típico estudiar las partículas producidas por la interacción de un neutrino (o antineutrino) para conocer el comportamiento del neutrino. Los neutrinos son artistas del escape sin esfuerzo, y su naturaleza similar a Houdini hace que sea difícil medir sus energías directamente. Navegan sin obstáculos a través de todo, incluso el plomo. Los científicos son alertados de la rara interacción de neutrinos por la producción de otros, partículas detectadas más fácilmente. Miden y suman las energías de estas partículas que salen y, por lo tanto, miden indirectamente la energía del neutrino que inició todo.

Este estudio particular de MINERvA:entra el antineutrino, hojas de neutrones — es un caso difícil. La mayoría de las partículas posteriores a la interacción depositan sus energías en el detector de partículas, dejando huellas que los científicos pueden rastrear hasta el antineutrino original (o neutrino, según el caso puede ser).

Pero en este experimento, el neutrón no lo hace. Se aferra a su energía, dejando casi nada en el detector. El resultado es prácticamente imposible de rastrear, energía no contabilizada que no se puede ingresar fácilmente en los libros de energía. Y desafortunadamente, los antineutrinos son buenos para producir neutrones de fuga de energía.

Los investigadores aprovechan al máximo las situaciones de falta de energía. Ellos predicen basado en otros estudios, cuánta energía se pierde y corregirla.

Dar a la comunidad científica una base de datos, herramienta predictiva para momentos de energía perdida, MINERvA recopiló datos de la situación del peor de los casos:un antineutrino golpea un núcleo en el detector y golpea el neutrón imposible de rastrear, por lo que casi toda la energía otorgada al núcleo se vuelve "puf". (Estas interacciones también producen partículas cargadas positivamente llamadas muones que señalan la interacción antineutrino). Al estudiar este acto particular de desaparición, los científicos podrían medir directamente los efectos de la energía faltante.

Otros investigadores ahora pueden buscar estos efectos, aplicando las lecciones aprendidas a casos similares. Por ejemplo, investigadores en el experimento de neutrinos operativo más grande de Fermilab, Estrella nueva, y el experimento japonés T2K utilizará esta técnica en sus mediciones de antineutrinos. Y el Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos organizado por Fermilab, pieza central de un programa de neutrinos líder en el mundo, también se beneficiará de esto una vez que comience a recopilar datos en la década de 2020.

El caso de producción de neutrones es solo un tipo de interacción de energía faltante, uno de tantos. Entonces, el modelo que surge de este estudio de MINERvA es ciertamente imperfecto. No puede haber un modelo único de escenarios de energía perdida para todos. Pero todavía proporciona una herramienta útil para juntar la energía de un neutrino, y esa es una tarea difícil sin importar qué partículas salgan de la interacción.

"Este análisis es un gran testimonio tanto de la capacidad del detector para medir las interacciones de neutrinos como de la capacidad de la colaboración para desarrollar nuevas estrategias, ", dijo la científica del Fermilab y co-portavoz de MINERvA, Deborah Harris." Cuando comenzamos MINERvA, este análisis ni siquiera fue un destello en los ojos de nadie ".

Hay una ventaja en este estudio reciente, también, uno que refuerza una investigación realizada el año pasado.

Para la investigación anterior, MINERvA se centró en las interacciones de neutrinos (en lugar de antineutrinos) que eliminaban pares protón-neutrón (en lugar de neutrones o protones solitarios). En un detector como MINERvA, La energía de un protón es mucho más fácil de medir que la de un neutrón. por lo que el estudio anterior presumiblemente arrojó mediciones más precisas que el estudio reciente de antineutrinos.

¿Qué tan buenas fueron estas medidas? Los científicos de MINERvA conectaron los valores del estudio de neutrinos anterior a un modelo de este reciente estudio de antineutrinos para ver qué surgiría. He aquí, el ajuste al modelo de antineutrinos mejoró su capacidad para predecir los datos.

La combinación de los dos estudios brinda a la comunidad de la física de neutrinos nueva información sobre qué tan bien funcionan los modelos y dónde se quedan cortos. Las búsquedas del fenómeno conocido como violación de CP —lo que hace que la materia sea especial en comparación con la antimateria y le permitió conquistar la batalla posterior al Big Bang— dependen de comparar muestras de neutrinos y antineutrinos y buscar pequeñas diferencias. Grande, las diferencias desconocidas entre los productos de reacción de neutrinos y antineutrinos ocultarían la presencia o ausencia de firmas de CP.

"Ya no nos preocupan las grandes diferencias, y nuestro programa de neutrinos puede funcionar con pequeños ajustes a las diferencias conocidas, ", dijo el físico de la Universidad de Minnesota-Duluth, Rik Gran, autor principal de este resultado.

MINERvA se centra en modelos que, con cada nueva prueba, describir mejor los datos de neutrinos y antineutrinos y, por lo tanto, la historia de cómo surgió el universo.

Estos resultados aparecieron el 1 de junio de 2018, en Cartas de revisión física .