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El gran misterio de los neutrinos podría señalar la falta de partículas

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El gran misterio de los neutrinos podría señalar la falta de partículas

En 1993, profundo Bajo tierra en el Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México, algunos destellos de luz dentro de un tanque de aceite del tamaño de un autobús dieron inicio a una historia de detectives que aún no ha llegado a su conclusión.

El Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) buscaba ráfagas de radiación creadas por neutrinos, la más ligera y elusiva de todas las partículas elementales conocidas. “Para nuestro asombro, eso es lo que vimos”, dijo Bill Louis, uno de los líderes del experimento.

El problema fue que vieron demasiados. Los teóricos habían postulado que los neutrinos podrían oscilar entre tipos a medida que vuelan, una hipótesis que explica varias observaciones astronómicas. LSND se había propuesto probar esta idea apuntando un haz de neutrinos muónicos, uno de los tres tipos conocidos, hacia el tanque de petróleo y contando el número de neutrinos electrónicos que llegaron allí. Sin embargo, Louis y su equipo detectaron muchos más neutrinos electrónicos que llegaban al tanque de lo que predijo la simple teoría de las oscilaciones de neutrinos.

Desde entonces, se han construido docenas más de experimentos con neutrinos, cada uno más grandioso que el anterior. En las montañas, las cavernas mineras en desuso y el hielo debajo del Polo Sur, los físicos han erigido catedrales para estas partículas notoriamente resbaladizas. Pero a medida que estos experimentos sondearon neutrinos desde todos los ángulos, siguieron produciendo imágenes contradictorias de cómo se comportan las partículas. «La trama sigue espesándose», dijo Louis.

“Es una historia muy confusa. Yo lo llamo el jardín de senderos que se bifurcan ”, dijo Carlos Argüelles-Delgado, físico de neutrinos de la Universidad de Harvard. En el cuento de 1941 de Jorge Luis Borges con ese título, el tiempo se ramifica en un número infinito de futuros posibles. Con los neutrinos, los resultados contradictorios han enviado a los teóricos por una variedad de caminos, sin estar seguros de en qué datos confiar y cuáles podrían estar llevándolos por mal camino. “Como cualquier historia de detectives, a veces ves pistas y te arrojan en la dirección equivocada”, dijo Argüelles-Delgado.

En 1993, el detector de neutrinos de centelleo líquido en el laboratorio nacional de Los Alamos informó de una desconcertante abundancia de detecciones de neutrinos. Rick Bolton, un ingeniero, aparece arrodillado entre los tubos fotomultiplicadores que detectarían la luz de las interacciones de los neutrinos dentro del tanque una vez que se llenó de aceite mineral.Cortesía del Laboratorio Nacional de Los Alamos

La explicación más simple de la anomalía del LSND fue la existencia de un nuevo cuarto tipo de neutrino, denominado neutrino estéril, que mezcla todos los tipos de neutrinos de acuerdo con nuevas reglas. Los neutrinos estériles permitirían que los neutrinos muónicos oscilen más fácilmente en neutrinos electrónicos en la corta distancia hasta el tanque de petróleo.

Pero a medida que pasaba el tiempo, el neutrino estéril no se ajustaba a los resultados de otros experimentos. “Teníamos nuestra teoría del campeón, pero el problema era que en otros lugares falla estrepitosamente”, dijo Argüelles-Delgado. «Estábamos muy adentrados en el bosque y necesitábamos salir».

Obligados a volver sobre sus pasos, los físicos han estado reconsiderando qué hay detrás de la confusión de pistas y resultados a medias. En los últimos años, han ideado nuevas teorías que son más complicadas que el neutrino estéril, pero que, de ser correctas, revolucionarían por completo la física, resolviendo anomalías en los datos de oscilación de neutrinos y otros grandes misterios de la física al mismo tiempo. No menos importante, los nuevos modelos postulan neutrinos adicionales pesados ​​que podrían explicar la materia oscura, la materia invisible que envuelve a las galaxias y que parece ser cuatro veces más abundante que la materia normal.

Ahora, cuatro análisis publicados ayer por el experimento MicroBooNE en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi cerca de Chicago y otro estudio reciente del detector IceCube en el Polo Sur sugieren que estas teorías de neutrinos más complejas pueden estar en el camino correcto, aunque el futuro está lejos. desde claro.

“Siento que algo está en el aire”, dijo Argüelles-Delgado. «Es un entorno muy tenso que apunta hacia el descubrimiento».

Un remedio desesperado

Cuando Wolfgang Pauli postuló la existencia del neutrino en 1930 para explicar hacia dónde estaba desapareciendo la energía durante la desintegración radiactiva, lo llamó un «remedio desesperado». Su construcción teórica no tenía masa ni carga eléctrica, lo que le hacía dudar de que un experimento pudiera detectarla. «Es algo que ningún teórico debería hacer», escribió en su diario en ese momento. Pero en 1956, en un experimento similar al LSND, allí estaba el neutrino.

Triumph pronto se convirtió en confusión cuando los físicos detectaron neutrinos provenientes del sol, una fuente natural de partículas, y encontraron menos de la mitad del número predicho por los modelos teóricos de reacciones nucleares de las estrellas. En la década de 1990, estaba claro que los neutrinos se comportaban de manera extraña. No solo los neutrinos solares parecían desaparecer misteriosamente, sino también los neutrinos que caen a la Tierra cuando los rayos cósmicos chocan con la atmósfera superior.

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