Nuevo avance en el estudio de los neutrinos estériles
CONICYT/DICYT La imagen muestra algunos de los detectores del experimento Daya Bay sumergidos en albercas de agua ultra pura en cavernas a cientos de metros bajo tierra. El agua permite reducir el ruido de fondo para estos instrumentos que son sumamente sensibles a la radiación proveniente de los rayos cósmicos y de la roca. Crédito: Roy Kaltschmidt del Lawrence Berkeley National Laboratory.
La Colaboración Daya Bay, un grupo internacional de científicos que estudian las transformaciones de partículas subatómicas llamadas neutrinos, publicó sus primeros resultados en la búsqueda del llamado neutrino estéril, un posible nuevo tipo de neutrino más allá de los tres tipos conocidos. La existencia de esta escurridiza partícula, si fuera demostrada, tendría un profundo impacto en nuestra comprensión del Universo y en el diseño de futuros experimentos de neutrinos. Los nuevos resultados publicados en la prestigiada revista Physical Review Letters, cubren un rango de masas previamente inexploradas, pero sin encontrar evidencia en favor de los neutrinos estériles.
En esta investigación de Daya Bay, participaron más de 200 investigadores de países como Estados Unidos, Taiwan, Hong Kong, Rusia, República Checa y Chile. El grupo chileno estuvo liderado por el profesor de la Facultad de Física de la Universidad Católica Juan Pedro Ochoa Ricoux.
“En Chile estuvimos muy involucrados en este resultado,” comentó el científico. El investigador señaló que fue en Santiago y en Berkeley, California, en donde se desarrolló uno de los dos métodos de análisis utilizados en este trabajo. Ochoa de hecho participó como uno de los editores de esta importante publicación.
En cuanto al conocimiento de los neutrinos estériles, hay factores en favor de su existencia, desde el punto de vista teórico. Sin embargo, los resultados experimentales han sido inconclusos - algunos experimentos han encontrado indicaciones de la existencia de estas partículas, mientras que otros han dado resultados nulos. Después de haber amasado una de las mayores muestras de neutrinos en el mundo, el Experimento Daya Bay está en una excelente posición para arrojar luz sobre este complejo problema.
El experimento Daya Bay se encuentra cerca de las centrales nucleares Daya Bay y Ling Ao en China, 55 kilómetros al noreste de Hong Kong. Estos reactores producen un potente flujo de antineutrinos que la colaboración científica observa utilizando ocho detectores de más de cien toneladas cada uno equipados con muy alta tecnología.
Daya Bay inició operaciones el 24 de diciembre de 2011. Poco después, en marzo del 2012, la colaboración anunció sus primeros resultados: la observación de un nuevo tipo de oscilación (evidencia de que estas partículas se cambian al viajar) y la primera determinación definitiva de un "ángulo de mezcla" llamado θ13, que es una medida de la mezcla de al menos tres estados de masas de los neutrinos. Este resultado tuvo un impacto muy grande en la comunidad científica internacional y fue reconocido como uno de los diez resultados científicos más importantes del año 2012 por la prestigiada revista Science. El profesor Ochoa y sus colegas también jugaron un rol clave en estos resultados.
El hecho de que los neutrinos tengan masa es un descubrimiento relativamente nuevo, como lo es la observación en Daya Bay de que el neutrino de tipo electrón sea una mezcla de al menos tres estados de masas. Y mientras los científicos no han podido determinar los valores exactos de las masas de los neutrinos, sí saben que estas partículas son dramáticamente menos masivas que el conocido electrón, un miembro de la misma familia de partículas.
Estas observaciones inesperadas han conducido a la posibilidad de que el neutrino, una partícula eléctricamente neutra y extremadamente difícil de detectar, pudiera ser un tipo especial de la materia y un componente muy importante de la masa del Universo. Dado que la naturaleza de la materia es una de las preguntas fundamentales en física, estas nuevas revelaciones sobre el neutrino dejan claro que es importante buscar otras partículas neutras ligeras que puedan mezclarse con los neutrinos activos y que puedan contribuir a la materia oscura del Universo.
Búsqueda de un neutrino estéril ligero
El nuevo artículo de Daya Bay describe la búsqueda de una partícula neutra ligera, el "neutrino estéril," mediante la búsqueda de evidencia de que se mezcle con los tres tipos de neutrinos conocidos (electrón, muón, tau). Si, como los tipos conocidos, el neutrino estéril también existiera como una mezcla de diferentes masas, podría dar prueba a los científicos de su existencia. Esa prueba se presentaría como una “desaparición” de los neutrinos producidos por los reactores nucleares.
El ver neutrinos desaparecer no es tan extraño como pareciera. De hecho es así como los científicos de Daya Bay miden algunas de sus propiedades. Los científicos cuentan cuántos de los millones de cuatrillones de antineutrinos electrónicos producidos cada segundo por los seis reactores del “China General Nuclear Power Group” son captados por los detectores situados en tres salas experimentales construidas a diferentes distancias de los reactores. Los detectores son sólo sensibles a los antineutrinos de tipo electrón, por lo que conforme estos neutrinos se cambian a otros tipos pareciera como si desaparecieran. La presencia de un neutrino estéril alteraría la forma en la que esta desaparición ocurre en función de la energía.
“Hasta ahora se sabe que existen tres tipos de neutrinos, y lo que se hizo en Daya Bay fue buscar evidencia de un cuarto tipo de neutrino al estudiar cómo se van cambiando de tipo al viajar”, indicó el investigador de la UC.
Asimismo, añadió que “se sabía que este cuarto sabor de neutrinos no podría tener ciertas características, pero estaba todavía abierta la posibilidad de que pudiera tener otras características, entonces fue ahí donde nosotros pudimos por primera vez ver si es cierto que estaba ahí ese cuarto tipo, y encontramos que no, que tampoco estaba ahí.”
Dentro del rango de masas explorado, Daya Bay no encontró pruebas de la existencia de un neutrino estéril. Estos datos representan el mejor límite del mundo para neutrinos estériles en un amplio rango de masas y hasta ahora apoya la imagen estándar de sólo tres tipos de neutrinos. Dada la importancia de aclarar la existencia del neutrino estéril, existe un esfuerzo contínuo por parte de muchos científicos y experimentos en el mundo para buscarlo. El nuevo resultado de Daya Bay notablemente redujo el área inexplorada.
“Esta búsqueda es muy importante porque los neutrinos estériles son muy buenos candidatos a ser la materia oscura del Universo. Si se hubieran encontrado esto hubiera permitido que se aclarara este enorme problema.” También señaló que sin la materia oscura no se puede entender bien la dinámica de las galaxias, por lo que es un problema muy fundamental. “Se cree que hay más materia oscura que materia visible, por lo que es una componente importante del Universo, y no sabemos qué es”, señaló Ochoa.
La contribución Chilena a Daya Bay está financiada por la Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica, CONICYT.