Un grupo internacional de más de 260 científicos ha realizado una de las pruebas más estrictas para la existencia de neutrinos estériles hasta la fecha. Los científicos de dos importantes grupos experimentales internacionales, MINOS + en Fermilab y Daya Bay del Departamento de Energía en China, están reportando resultados en Cartas de revisión física descartando oscilaciones en un neutrino estéril como la explicación principal de observaciones inesperadas de experimentos recientes.

MINOS + estudia la desaparición de neutrinos muónicos producidos por un acelerador Fermilab y que se propagan a un detector subterráneo en el norte de Minnesota a 735 kilómetros de distancia. Daya Bay utiliza ocho detectores de idéntico diseño para medir con precisión cómo los neutrinos electrónicos emitidos por seis reactores nucleares en China "desaparecen" a medida que se transforman en otros tipos.

Los neutrinos son partículas elementales que, como electrones, no se puede dividir en componentes más pequeños. Se diferencian de cualquier otra partícula conocida en el sentido de que son capaces de penetrar cantidades extremadamente grandes de materia sin detenerse. Si se dispara un neutrino desde la superficie de la Tierra hacia su centro, Existe una gran probabilidad de que emerja intacta del otro lado.

Hay tres tipos conocidos de neutrinos:electrón, muon y tau. Hace unas dos décadas, Los científicos descubrieron que pueden transformarse de un tipo a otro a través de un fenómeno llamado "oscilación de neutrinos, "un descubrimiento que fue galardonado con el Premio Nobel de Física 2015. Por ejemplo, un neutrino creado como un tipo de electrón que viaja a través del espacio puede identificarse más tarde como un tipo muón o tipo tau.

Aunque la gran mayoría de los datos acumulados hasta la fecha pueden explicarse por tres neutrinos conocidos, algunos experimentos han informado de observaciones anómalas que sugieren la existencia de tipos adicionales. Entre estos se encuentran el experimento LSND en el Laboratorio Nacional de Los Alamos y el experimento MiniBooNE en Fermilab. Ambos expusieron sus detectores a un haz de neutrinos muónicos e informaron un exceso de eventos candidatos a neutrinos electrónicos más allá de lo que se esperaría de las oscilaciones que involucran solo los tres tipos conocidos de neutrinos. pero posiblemente reconciliable si estuviera involucrado un nuevo tipo de neutrino, un neutrino estéril. Los neutrinos estériles no serían directamente detectables, pero su oscilación con los tres neutrinos conocidos proporcionaría una vía única para establecer su existencia.

Sin embargo, los nuevos resultados de Daya Bay y MINOS + cuestionan esta posibilidad como explicación de los resultados de LSND y MiniBooNE.

"Hay mucho en juego; si se confirma esta tentadora interpretación de los resultados anómalos, se produciría una revolución en la física. Los neutrinos estériles se convertirían en las primeras partículas que se encontrarían fuera del Modelo Estándar, nuestra mejor teoría actual de las partículas elementales y sus interacciones. También podrían ser candidatos para la materia oscura y podrían tener importantes consecuencias en cosmología. "dijo el científico de Daya Bay, Pedro Ochoa-Ricoux, profesor asociado de física y astronomía en UC Irvine.

"Esta estrecha colaboración de MINOS + y los científicos de Daya Bay permitió la combinación de dos limitaciones complementarias líderes en el mundo sobre la desaparición de neutrinos muónicos y antineutrinos electrónicos en neutrinos estériles, "dijo Alexandre Sousa, profesor asociado de física en la Universidad de Cincinnati y uno de los científicos de MINOS + que trabajó en el análisis. La desaparición de ambas partículas debe ocurrir si los (anti) neutrinos de electrones van a aparecer en una fuente de muones (anti) neutrinos a través de oscilaciones estériles con un solo neutrino estéril. "Así que el resultado combinado es una prueba muy poderosa de los indicios de neutrinos estériles que tenemos hasta la fecha".

Las mediciones de desaparición de neutrinos por MINOS + y Daya Bay ahora son tan precisas que esencialmente descartan explicar las observaciones anómalas combinadas de LSND, MiniBooNE y otros experimentos únicamente a través de oscilaciones de neutrinos estériles, según Ochoa-Ricoux.

"Todos hubiéramos estado absolutamente encantados de encontrar evidencia de neutrinos estériles, pero los datos que hemos recopilado hasta ahora no admiten ningún tipo de oscilación con estas partículas exóticas, " él dijo.

El análisis combinado informado por Daya Bay y MINOS + no solo descartó el tipo específico de oscilación de neutrinos estériles que explicaría los resultados anómalos, sino que también buscó otras firmas de neutrinos estériles con una sensibilidad nunca antes alcanzada. produciendo algunos de los límites más estrictos sobre la existencia de estas elusivas partículas hasta la fecha.

"Los dos experimentos utilizan múltiples detectores con incertidumbres bien entendidas y han recopilado una gran cantidad de eventos sin precedentes. La exigencia de coherencia entre los conjuntos de datos de los dos experimentos proporciona una prueba muy rigurosa de la existencia de neutrinos estériles". "dijeron los portavoces de MINOS +, Jenny Thomas, profesor en University College London, y profesora de Karol Lang en la Universidad de Texas en Austin.

"Este esfuerzo conjunto aborda de manera muy eficaz un problema fundamental de la física, ", dijeron los portavoces de Daya Bay Kam-Biu Luk del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y UC Berkeley y Jun Cao del Instituto de Física de Altas Energías en Beijing." Si bien todavía hay espacio para que un neutrino estéril esté al acecho en las sombras, hemos reducido significativamente el espacio disponible para esconderse ".