Después de años de investigación cuidadosa, los investigadores que trabajan en el Experimento Micro Booster Neutrino (MicroBUNE) han determinado que una partícula planteada desde hace mucho tiempo conocida como neutrinos estériles no existe. Esta partícula propuesta fue ampliamente discutida como una posible respuesta a un problema no resuelto en la física de partículas. Al informar sobre sus hallazgos en la revista Nature, los hallazgos del equipo reducen significativamente el rango de explicaciones para uno de los misterios más duraderos que involucran a los neutrinos.
“Los neutrinos son partículas elementales esquivas que son difíciles de detectar experimentalmente, pero que se encuentran entre las partículas más abundantes del universo”, dijo el profesor asistente de física de la Universidad de California en Santa Bárbara, David Caratelli, quien se desempeñó como coordinador de física del experimento durante el análisis. Explicó que experimentos anteriores habían producido resultados que no coincidían con el conocimiento existente, lo que llevó a los científicos a plantear la hipótesis de la presencia de un cuarto neutrino: un neutrino “estéril”. Sin embargo, las nuevas mediciones de MicroBooNE muestran que esta suposición no se alinea con los datos.
Según Caratelli, eliminar la hipótesis del neutrino estéril representa un gran paso adelante. El resultado allana el camino para explorar nuevas posibilidades y ayuda a preparar el campo para experimentos de neutrinos más amplios y avanzados.
Esta investigación recibió apoyo parcial de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias.
Por qué los neutrinos todavía desconciertan a los físicos
El Modelo Estándar proporciona un marco bien probado para comprender las fuerzas y partículas fundamentales que dan forma al universo. Sin embargo, no responde a algunas preguntas clave.
“Sabemos que el Modelo Estándar hace un gran trabajo al describir muchos fenómenos en el mundo natural”, dijo Matthew Toops, científico senior de Fermilab y coportavoz de Microbun. “Y al mismo tiempo, sabemos que está incompleto. No tiene en cuenta la materia oscura, la energía oscura o la gravedad”.
Los neutrinos representan una de estas brechas. Cuando se desarrolló por primera vez el modelo estándar, se suponía que los neutrinos no tenían masa. Esta hipótesis comenzó a desmoronarse a finales del siglo XX, cuando los experimentos de observación de neutrinos desde el espacio revelaron un comportamiento inesperado. Algunos tipos de neutrinos parecieron desaparecer a medida que viajaban.
Los científicos se dieron cuenta de que los neutrinos se presentan en tres formas, conocidas como sabores electrónicos, muones y tau, y que estos sabores pueden cambiar a medida que el neutrino se mueve por el espacio. Este proceso, llamado oscilación, implica que los neutrinos deben tener masa.
“La única manera de que se produzcan estas oscilaciones es si los neutrinos tienen masa”, explicó Caratelli. “Esto es algo que el modelo estándar no predijo”.
La hipótesis del neutrino estéril
En la década de 1990, nuevos experimentos profundizaron el misterio. Los experimentos en el Detector de Neutrinos de Centelleo Líquido (LSND) en el Laboratorio Nacional de Los Álamos y más tarde en el minibun del Fermilab mostraron que los neutrinos muónicos se convertían en neutrinos electrónicos de una manera que no podía explicarse utilizando solo los tres tipos de neutrinos conocidos.
“La explicación más popular para estas anomalías en los últimos 30 años ha sido un neutrino hipotético estéril”, dice Justin Evans, profesor de la Universidad de Manchester y coportavoz de Microbun.
A diferencia de los neutrinos conocidos, que interactúan con otras partículas mediante la fuerza electrodébil, un neutrino estéril no interactuará con la materia de la misma manera. Esto hace que la detección directa sea extremadamente difícil.
Cómo MicroBooNE probó la teoría
Para examinar estas anomalías más de cerca, los científicos del Fermilab construyeron MicroBooNE, un detector diseñado para capturar interacciones de neutrinos con un detalle sin precedentes.
Entre 2015 y 2021, el experimento registró neutrinos producidos por dos haces en el sitio Fermilab. Estos haces enviaron los neutrinos a una cámara de proyección temporal de argón líquido, donde se pudieron observar sus interacciones con alta precisión.
“Creamos un tipo de neutrino y colocamos nuestros detectores de manera óptima para maximizar las posibilidades de encontrar este neutrino estéril”, dijo Caratelli. “Tradicionalmente, lo que hemos hecho es crear neutrinos muónicos y si hay un neutrino estéril, veríamos la aparición de un neutrino electrónico”.
El equipo comparó la cantidad de neutrinos electrónicos detectados con predicciones basadas en modelos que no incluían un neutrino estéril y modelos que no lo incluían. “Básicamente, lo que buscábamos era el efecto de la aparición de nuevos neutrinos electrónicos provocados por este fenómeno de oscilación”.
Los resultados no muestran tal efecto. Los datos coinciden con las expectativas de un universo sin neutrinos estériles, descartando efectivamente la existencia de la partícula. Esta conclusión se basa en un trabajo anterior dirigido por un grupo de la Universidad de California en Santa Bárbara y publicado en la edición de verano de 2025 de Physical Review Letters, que tampoco encontró ningún exceso de neutrinos electrónicos.
Un punto de inflexión para la investigación de neutrinos
Aunque se deja de lado la explicación del neutrino estéril, las principales discrepancias observadas por LSND y MiniBooNE no están completamente resueltas.
“Creo que es un cambio de paradigma para nosotros”, dijo Caratelli. Como las hipótesis de décadas de antigüedad ya no son válidas, los investigadores ahora están explorando un conjunto más amplio de ideas que podrían explicar observaciones extrañas y potencialmente arrojar luz sobre cuestiones más profundas, incluida la naturaleza de la materia oscura.
“Tenemos un menú de opciones mucho más diverso que estamos investigando”, dijo Caratelli. Las herramientas y técnicas perfeccionadas durante el experimento MicroBooNE se están aplicando ahora a estudios multidetector más complejos.
Una hipótesis alternativa involucra fotones que han sido identificados erróneamente en experimentos anteriores o que pueden apuntar a una nueva física. Xiao Luo, profesor de física de la UC Santa Bárbara y colaborador de MicroBooNE, publicó recientemente un análisis preliminar que examina esta posibilidad. Se espera que el trabajo futuro en el Programa de neutrinos de referencia corta del Fermilab explore estas cuestiones con más detalle.
Mirando la próxima generación de experimentos
Al mismo tiempo, avanza la construcción del Experimento Subterráneo de Neutrinos Profundos (DUNE). Construido a una milla debajo de la superficie en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur, DUNE será el detector de neutrinos más grande jamás construido. Recibirá un intenso haz de neutrinos de alta energía enviado a través de la Tierra desde Fermilab, a 800 millas de distancia.
“Microbun es grande, del tamaño de un autobús escolar. Pero DUNE es del tamaño de un campo de fútbol”, dijo Caratelli. La escala y precisión de DUNE podrían ayudar a responder preguntas no sólo sobre el comportamiento de los neutrinos sino también sobre por qué el universo tiene más materia que antimateria.
Según Caratelli, MicroBooNE ha desempeñado un papel importante en la preparación de los científicos para lo que viene.
“Una de las cosas que hizo MicroBooNE fue darnos confianza a todos y enseñarnos cómo utilizar esta tecnología para medir neutrinos con alta precisión”, dijo. “Lo que aprendimos con Microbun sobre cómo analizar los datos que ingresan al detector es directamente aplicable a DUNE”.
