Los físicos en Artes y Ciencias han propuesto una nueva forma de aprovechar los datos de grandes telescopios de neutrinos como el Observatorio de Neutrinos IceCube en la Antártida. Crédito:Felipe Pedreros / IceCube y National Science Foundation
Los físicos de la Universidad de Washington en St. Louis han propuesto una forma de utilizar datos de neutrinos de energía ultra alta para estudiar interacciones más allá del modelo estándar de física de partículas. El modelo 'Zee burst' aprovecha nuevos datos de grandes telescopios de neutrinos como el Observatorio de Neutrinos IceCube en la Antártida y sus futuras extensiones.
"Los neutrinos continúan intrigándonos y expandiendo nuestra imaginación. Estas 'partículas fantasmas' son las menos comprendidas en el modelo estándar, pero tienen la clave de lo que hay más allá, "dijo Bhupal Dev, profesor asistente de física en Artes y Ciencias y autor de un nuevo estudio en Cartas de revisión física .
"Hasta aquí, Todos los estudios de interacción no estándar en IceCube se han centrado solo en los datos de neutrinos atmosféricos de baja energía, "dijo Dev, que forma parte del Centro McDonnell de Ciencias Espaciales de la Universidad de Washington. "El mecanismo 'Zee burst' proporciona una nueva herramienta para sondear interacciones no estándar utilizando los neutrinos de energía ultra alta en IceCube".
Eventos de energía ultra alta
Desde el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos hace dos décadas, que ganó el Premio Nobel de Física 2015, Los científicos han logrado un progreso significativo en la comprensión de las propiedades de los neutrinos, pero muchas preguntas siguen sin respuesta.
Por ejemplo, el hecho de que los neutrinos tengan una masa tan pequeña ya requiere que los científicos consideren teorías más allá del modelo estándar. En tales teorías, "los neutrinos podrían tener nuevas interacciones no estándar con la materia a medida que se propagan a través de ella, lo que afectará de manera crucial a sus futuras mediciones de precisión, "Dijo Dev.
Este es el neutrino de mayor energía jamás observado, con una energía estimada de 1,14 PeV. Fue detectado por el Observatorio de Neutrinos IceCube en el Polo Sur el 3 de enero. 2012. Los físicos de IceCube lo llamaron Ernie. Crédito:Colaboración IceCube
En 2012, la colaboración IceCube informó la primera observación de neutrinos de energía ultra alta de fuentes extraterrestres, que abrió una nueva ventana para estudiar las propiedades de los neutrinos a las energías más altas posibles. Desde ese descubrimiento, IceCube ha informado de alrededor de 100 eventos de neutrinos de energía ultra alta de este tipo.
"Inmediatamente nos dimos cuenta de que esto podría brindarnos una nueva forma de buscar partículas exóticas, como compañeros supersimétricos y materia oscura pesada en descomposición, "Dijo Dev. Durante los años anteriores, había estado buscando formas de encontrar señales de nueva física a diferentes escalas de energía y había sido coautor de media docena de artículos que estudiaban las posibilidades.
"La estrategia común que seguí en todos estos trabajos fue buscar características anómalas en el espectro de eventos observados, que luego podría interpretarse como un posible signo de nueva física, " él dijo.
La característica más espectacular sería una resonancia:lo que los físicos presencian como una mejora dramática de los eventos en una ventana de energía estrecha. Dev dedicó su tiempo a pensar en nuevos escenarios que podrían dar lugar a tal característica de resonancia. De ahí surgió la idea del trabajo actual.
En el modelo estándar, Los neutrinos de energía ultra alta pueden producir un bosón W en resonancia. Este proceso, conocida como la resonancia de Glashow, ya se ha visto en IceCube, según los resultados preliminares presentados en la conferencia Neutrino 2018.
"Proponemos que se pueden inducir características de resonancia similares debido a la nueva luz, partículas cargadas, que proporciona una nueva forma de sondear interacciones de neutrinos no estándar, "Dijo Dev.
Representación de una observación de los eventos de energía ultra alta que alimentan el modelo "Zee burst". Crédito:Yicong Sui, Universidad de Washington
Irrumpiendo en la escena de los neutrinos
Dev y su coautor Kaladi Babu de la Universidad Estatal de Oklahoma consideraron el modelo Zee, un modelo popular de generación de masa de neutrinos radiativos, como prototipo para su estudio. Este modelo permite que los escalares cargados sean tan ligeros como 100 veces la masa del protón.
"Estas luces, Zee-escalares cargados podrían dar lugar a una característica de resonancia similar a Glashow en el espectro de eventos de neutrinos de energía ultra alta en el Observatorio de Neutrinos IceCube, "Dijo Dev.
Debido a que la nueva resonancia involucra escalares cargados en el modelo Zee, decidieron llamarlo el 'estallido Zee'.
Yicong Sui en la Universidad de Washington y Sudip Jana en el estado de Oklahoma, tanto estudiantes graduados en física como coautores de este estudio, realizó extensas simulaciones de eventos y análisis de datos que muestran que es posible detectar una resonancia tan nueva utilizando datos de IceCube.
"Necesitamos un tiempo de exposición efectivo de al menos cuatro veces la exposición actual para ser lo suficientemente sensibles como para detectar la nueva resonancia, por lo que serían unos 30 años con el diseño actual de IceCube, pero solo tres años de IceCube-Gen 2, "Dev dijo, en referencia a la extensión propuesta de próxima generación de IceCube con un volumen de detector de 10 km3.
"Esta es una forma eficaz de buscar los nuevos escalares cargados en IceCube, complementario a las búsquedas directas de estas partículas en el Gran Colisionador de Hadrones ".
