Después de recopilar y estudiar datos durante diez años, un equipo internacional de físicos, incluidos investigadores de Rutgers, ha derribado ideas arraigadas sobre un tipo misterioso de partícula.
Se publican los resultados la naturaleza y del experimento Microbun en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi (Fermilab) del Departamento de Energía de EE. UU. en Batavia, Illinois. (MicroBooNE es la abreviatura de “Micro Booster Neutrino Experiment”.)
Una prueba de una década en Fermilab
MicroBooNE se basa en observaciones de un gran detector de argón líquido y dos haces de neutrinos separados. Al seguir cuidadosamente cómo se comportan los neutrinos, los científicos han podido descartar la existencia de un único neutrino estéril con un 95% de certeza.
Andrew Mastbaum, profesor asociado en el Departamento de Física y Astronomía de la Escuela de Artes y Ciencias de Rutgers y miembro del equipo de liderazgo de Microbun, describió el descubrimiento como un importante punto de inflexión para el campo.
“Este resultado estimulará ideas innovadoras en la investigación de neutrinos para comprender lo que realmente está sucediendo”, afirmó. “Podemos descartar un gran sospechoso, pero eso no resuelve el misterio”.
¿Por qué son importantes los neutrinos?
Los neutrinos son partículas extremadamente pequeñas que rara vez interactúan con la materia. Pueden viajar directamente a través de planetas enteros sin reducir la velocidad. Según el Modelo Estándar, que es el marco principal de la física de partículas, existen tres tipos conocidos de neutrinos: electrones, muones y tau. Estas partículas se pueden convertir de una forma a otra mediante un fenómeno conocido como oscilación.
Sin embargo, en experimentos anteriores, los científicos observaron un comportamiento de neutrinos que no coincidía del todo con las predicciones del Modelo Estándar. Para explicar estos resultados, los investigadores sugirieron la existencia de un cuarto tipo de neutrino llamado neutrino estéril. A diferencia de los tipos conocidos, un neutrino estéril no interactúa con la materia en absoluto excepto por gravedad, lo que lo hace extremadamente difícil de detectar.
Prueba de neutrinos estériles
Para investigar esta idea, el equipo de MicroBooNE midió los neutrinos producidos por dos haces diferentes y analizó cómo cambiaban a medida que viajaban. Después de diez años de recopilar e interpretar datos, los investigadores no han encontrado evidencia que respalde la hipótesis del neutrino estéril. Esto descarta efectivamente una de las explicaciones más discutidas sobre el comportamiento anómalo de los neutrinos.
Mastbaum desempeñó un papel central a la hora de guiar el esfuerzo de análisis de pruebas como coordinador de herramientas y técnicas de análisis. Su trabajo se centró en cómo las señales crudas de los detectores se transformaban en conclusiones científicas significativas. Anteriormente dirigió los esfuerzos del equipo para comprender lo que llama incertidumbre sistemática, una fuente potencial de error en las mediciones.
Estas incertidumbres incluyen cómo interactúan los neutrinos con los núcleos atómicos, el número exacto de neutrinos en el haz y cómo responde el propio detector a las partículas entrantes. Tener en cuenta con precisión estos factores es esencial para sacar conclusiones sólidas de los datos.
Acertar con estas incertidumbres es importante porque permite a los científicos hacer afirmaciones sólidas y confiables sobre lo que realmente muestran los datos, dijo Mastbaum.
Investigadores graduados y precisión de los datos.
Los estudiantes de posgrado de Rutgers también contribuyeron al proyecto. Panagiotis Englezos, estudiante de doctorado en el Departamento de Física y Astronomía de la Escuela de Artes y Ciencias de Rutgers, formó parte del equipo de gestión de datos de MicroBooNE, ayudando a procesar los datos experimentales y crear las simulaciones que respaldaron el análisis.
Keng Lin, otro estudiante de doctorado del departamento, se centró en validar el flujo de neutrinos del haz NuMI (neutrinos del inyector principal) del Fermilab, que fue una de las dos fuentes de neutrinos utilizadas en el estudio. En conjunto, estos esfuerzos ayudaron a garantizar la precisión y confiabilidad de los resultados finales.
¿Qué significa esto para la física?
Según Mastbaum, el hallazgo es significativo porque elimina un candidato principal para una nueva física fuera del Modelo Estándar. Aunque el Modelo Estándar ha tenido mucho éxito, no explica fenómenos como la materia oscura, la energía oscura o la gravedad. Los investigadores continúan buscando pistas que apunten fuera del modelo y descartar una posibilidad ayuda a reducir el campo.
Los científicos de Rutgers también ayudaron a desarrollar métodos para medir cómo interactúan los neutrinos con el argón líquido. Estas técnicas avanzadas beneficiarán a proyectos futuros, incluido el Experimento de neutrinos subterráneos profundos (DUNE).
“Con un modelado cuidadoso y métodos de análisis inteligentes, el equipo de MicroBooNE recopiló una cantidad increíble de datos de este detector”, dijo Mastbaum. “Con experimentos de próxima generación, como DUNE, ya estamos utilizando estas técnicas para abordar cuestiones más fundamentales sobre la naturaleza de la materia y la existencia del universo”.
