Un equipo internacional que rastrea los neutrinos de la 'nueva física' ha verificado los datos de todos los experimentos relevantes asociados con las detecciones de neutrinos con las extensiones del Modelo Estándar propuestas por los teóricos. El último análisis, el primero con una cobertura tan completa, muestra la escala de desafíos que enfrentan los buscadores de neutrinos diestros, pero también trae una chispa de esperanza.

En todos los procesos que involucran neutrinos que se han observado, estas partículas exhiben una característica que los físicos denominan zurdos. Neutrinos diestros, que son la extensión más natural del Modelo Estándar, no se ven por ninguna parte. ¿Por qué? Lo último, análisis extremadamente completo realizado por un grupo internacional de físicos, Incluir el Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (FIP PAN) en Cracovia ayuda a responder esta pregunta. Por primera vez, datos de todos los experimentos relevantes, dedicada directa e indirectamente a la detección de neutrinos, fueron incluidos y contrastados con los rangos de parámetros impuestos por varias extensiones teóricas del Modelo Estándar.

La primera partícula subatómica, el electrón, se observó hace más de 120 años. Desde entonces, los físicos han descubierto una gran cantidad de ellos. La riqueza de los ladrillos de construcción de la naturaleza se explica asumiendo que el mundo consiste en quarks masivos, que se presenta en seis sabores, y leptones mucho menos masivos, también en seis sabores. Los leptones incluyen el electrón, el muón (que pesa 207 veces la masa del electrón), la tau (3477 veces la masa de un electrón) y los tres tipos correspondientes de neutrinos.

Los neutrinos interactúan extremadamente mal con el resto de la materia. También muestran otras características de particular importancia para la forma de la física moderna. Recientemente se ha descubierto que estas partículas oscilan, es decir, se están transformando constantemente de un tipo a otro. Este fenómeno significa que los neutrinos observados deben tener cierta masa (aunque muy baja). Mientras tanto, el modelo estándar, una herramienta teórica moderna que describe partículas subatómicas con gran precisión, no deja alternativa:¡dentro de su marco, los neutrinos no pueden tener masa! Esta contradicción entre teoría y experiencia es uno de los indicios más fuertes a favor de la existencia de partículas subatómicas desconocidas. La masa de neutrinos, sin embargo, no es su única propiedad desconcertante.

“Aprendemos sobre la presencia de neutrinos observando los productos de desintegración de varias partículas y comparando lo que hemos registrado con lo que predice la teoría. Resulta que en todos los casos indicando la presencia de neutrinos, estas partículas siempre tuvieron la misma helicidad:1/2, es decir, eran zurdos. Esto es interesante porque otras partículas de materia pueden tener un giro tanto positivo como negativo. ¡Pero no se ven neutrinos diestros! Si no existen entonces porque no Y si lo hacen ¿Dónde se esconden? ”pregunta el Dr. Marcin Chrzaszcz (FIP PAN).

Un artículo recién publicado en Revista Física Europea C por un equipo internacional de físicos nos acerca a responder las preguntas anteriores. Científicos de IFJ PAN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), Université catholique de Louvain (Louvain-la-Neuve, Bélgica), Universidad de Monash (Melbourne, Australia), Technische Universität München (Alemania) y la Universidad de Amsterdam (Países Bajos)) llevaron a cabo el análisis más preciso hasta la fecha de los datos recopilados en más de una docena de los experimentos más sofisticados en física subatómica. tanto los de carácter general como los que se dedican directamente a la observación de neutrinos (incluido PIENU, PS-191, ENCANTO, E949, NuTeV, DELPHI, ATLAS, CMS).

Los investigadores no se limitaron a aumentar simplemente el número de experimentos y la cantidad de datos procesados. En su análisis, consideraron la posibilidad de procesos hipotéticos propuestos por teóricos que requieran la presencia de neutrinos diestros. Uno de ellos fue el mecanismo de balancín asociado con los neutrinos de Majorana.

En 1937, Ettore Majorana postuló la existencia de una partícula de materia que es su propia antipartícula. Tal partícula no podría tener carga eléctrica. Dado que todas las partículas de materia llevan carga eléctrica, a excepción de los neutrinos, la nueva partícula puede ser un neutrino.

"La teoría sugiere que si existen neutrinos de Majorana, también puede haber un mecanismo de balancín. Esto significaría que cuando los neutrinos con un estado de helicidad no son muy masivos, entonces los neutrinos con la helicidad opuesta deben tener masas muy grandes. Entonces, si nuestros neutrinos que son zurdos tienen masas muy bajas, si fueran neutrinos de Majorana, en la versión para diestros tendrían que ser enormes. Esto explicaría por qué no los hemos visto todavía, "dice el Dr. Chrzaszcz, y agrega que los neutrinos diestros masivos son uno de los candidatos para la materia oscura.

El último análisis, llevado a cabo utilizando el paquete especializado de código abierto GAMBIT, tuvo en cuenta todos los datos experimentales actualmente disponibles y los rangos de parámetros proporcionados por varios mecanismos teóricos. Numéricamente fue extremadamente oneroso. El mecanismo de balancín en sí significaba que los cálculos tenían que usar números de punto flotante, no dobles, pero de cuádruple precisión. Por último, el volumen de datos alcanzó los 60 TB. El análisis tuvo que llevarse a cabo en el clúster de computación polaco más rápido, Prometheus, gestionado por el Centro Académico de Computación Cyfronet de la Universidad de Ciencia y Tecnología AGH.

Los resultados del análisis, financiado por el lado polaco con subvenciones de la Fundación para la Ciencia Polaca y la Agencia Nacional de Intercambio Académico, no inspire optimismo. Resultó que, a pesar de muchos experimentos y una gran cantidad de datos recopilados, el posible espacio de parámetros se penetró sólo en pequeña medida.

"Podemos encontrar neutrinos diestros en experimentos que están a punto de comenzar. Sin embargo, si tenemos mala suerte y los neutrinos diestros se esconden en los recovecos más lejanos del espacio de parámetros, es posible que tengamos que esperar hasta cien años para su descubrimiento, "dice el Dr. Chrzaszcz.

Afortunadamente, también hay una sombra de esperanza. Se capturó un rastro de una señal potencial en los datos que podrían asociarse con neutrinos diestros. En esta etapa, es muy débil y, en última instancia, puede resultar solo una fluctuación estadística. Pero, ¿qué pasaría si no fuera así?

"En este caso, todo indica que ya sería posible observar neutrinos diestros en el sucesor del LHC, el futuro colisionador circular. Sin embargo, la FCC tiene una cierta desventaja:comenzaría a funcionar unos 20 años después de su aprobación, que, en el mejor de los casos, puede tener lugar solo el próximo año. Si no es así, tendremos que armarnos de mucha paciencia antes de ver neutrinos diestros, "concluye el Dr. Chrzaszcz.