Los neutrinos estériles podrían explicar la materia oscura, si podemos encontrarlos

Hay buenas razones para pensar que los neutrinos tienen un primo tímido que podría explicar la materia oscura, pero las búsquedas hasta ahora han resultado vacías, escribe. Chanda Prescod-Weinstein

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10 de noviembre de 2021

Imagen predeterminada de New Scientist

Shutterstock / cactus

Es posible que haya visto titulares recientes sobre un «neutrino estéril» y se haya sentido confundido. Los lectores habituales saben que soy un fanático de los neutrinos, en parte porque no son trinarios: vienen en tres sabores y cambian aleatoriamente entre ellos por razones que aún no hemos explicado completamente. Los tipos de neutrinos que he discutido en esta columna antes son los que hemos detectado: neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y neutrinos tau.

Estos tres sabores son partículas fundamentales en el modelo estándar de física de partículas, nuestra mejor imagen de la materia y sus interacciones. Son miembros de la familia de los leptones junto con los electrones, muones y taus. Al igual que sus parientes leptónicos, los neutrinos del modelo estándar pertenecen a una clase de partículas llamadas fermiones, que se definen por tener un sentido cuántico interno de rotación (espín) que es múltiplo de la mitad. Es importante destacar que estos neutrinos interactúan con otras partículas a través de la gravedad y la fuerza nuclear débil.

Los neutrinos estériles son, como decimos en Estados Unidos, un juego de pelota completamente nuevo. A diferencia de los neutrinos del modelo estándar, no sabemos si son reales. Y a diferencia de los neutrinos que conocemos, parece que solo interactúan a través de la gravedad. Suena aburrido, podría pensar. ¿Por qué molestarse? En primer lugar, todo el mundo sabe que me gusta un buen candidato para la materia oscura. Me gusta especialmente uno que puedo argumentar que debería existir de todos modos, independientemente de nuestro problema de materia invisible y faltante. Los neutrinos estériles comparten dos de mis cualidades favoritas para una partícula hipotética: están bien motivados y resultan ser candidatos interesantes a la materia oscura.

Creemos que los neutrinos estériles deberían existir gracias a una propiedad de los neutrinos modelo estándar: la mano. Específicamente, los neutrinos que conocemos son zurdos (y los antineutrinos de antimateria son todos diestros). Aunque me refiero a esto como destreza, esta propiedad, conocida formalmente como quiralidad, no es como la vida cotidiana porque no es clásica. Al igual que el giro de las partículas, es una característica cuántica.

Todas las partículas conocidas pueden presentarse en formas tanto para diestros como para zurdos, aparte de los neutrinos. Vienen solo como partículas para zurdos. Naturalmente, a lo largo de los años, los físicos se han preguntado si existen neutrinos diestros (y antineutrinos zurdos).

El neutrino estéril es ese hipotético neutrino diestro. Se le llama «estéril» porque solo interactúa a través de la gravedad. Si bien esta propiedad hace que los neutrinos estériles sean diferentes de otros neutrinos, tienen una masa y no están cargados eléctricamente, al igual que los neutrinos modelo estándar. Esto significa que podrían ser materia oscura y, a diferencia de los neutrinos del modelo estándar, potencialmente tienen suficiente masa para explicar el aparente impacto gravitacional de la presencia de materia oscura.

“Detectar neutrinos ordinarios ya es bastante difícil. Ese trabajo es aún más complicado con neutrinos estériles «

Aquellos de nosotros que somos teóricos tenemos el emocionante trabajo de descubrir cómo funcionaría matemáticamente la idea de que los neutrinos estériles podrían ser materia oscura. Los experimentadores obtienen la alegría, y el increíble desafío, de salir y buscar evidencia física.

Una de estas búsquedas provocó recientemente algunos titulares al encontrar un resultado nulo: no hay neutrinos estériles. Detectar neutrinos ordinarios ya es bastante difícil. Ese trabajo es aún más complicado con los neutrinos estériles, que solo pueden «verse» a través de sus interacciones con las fluctuaciones cuánticas de sus homólogos del modelo estándar. Para encontrar neutrinos estériles, debe buscar un tipo específico de comportamiento en los neutrinos cotidianos.

El experimento que anunció resultados recientemente, MicroBooNE, se encuentra en Fermilab, no lejos de Chicago. Consiste en un gran contenedor de argón unido a una línea de luz donde los neutrinos se producen al colisionar protones. Es más fácil seguir la trayectoria de los eventos de neutrinos en el argón, debido a su alta densidad y sensibilidad a las partículas cargadas que se producen en las colisiones.

La tarea principal de MicroBooNE es comprender mejor cómo interactúan los neutrinos con el argón y tratar de replicar las pistas observadas en experimentos anteriores de que los neutrinos estériles son reales. Dos experimentos, MiniBooNE y LSND, vieron un exceso de neutrinos muónicos que oscilaban en neutrinos electrónicos a distancias que no tenían sentido físicamente. Esta rareza podría explicarse si los neutrinos muónicos se estuvieran convirtiendo primero en neutrinos estériles, antes de convertirse en neutrinos electrónicos.

Lamentablemente para algunos, el equipo de MicroBooNE anunció recientemente que, hasta ahora, no había visto el mismo exceso de neutrinos de electrones. Esto es consistente con los datos de otros experimentos, lo que nos deja con bastante misterio. ¿Por qué diferentes experimentos obtienen resultados diferentes? No lo sabemos.

Pero incluso si no aparece nada una vez que hayamos explorado todos los lugares que esta partícula hipotética podría estar escondida, seguirá siendo valioso. Si los neutrinos estériles resultan ser solo un producto de la imaginación del teórico de partículas, sabremos que es hora de seguir adelante.

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