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La luna está oscureciendo parte del sol sobre las flores durante un eclipse solar en Phnom Penh, Camboya, miércoles, 9 de marzo de 2016. El sol de la Tierra es la principal fuente natural de emisiones de neutrinos detectables en la Tierra. Crédito de la imagen: (AP Photo / Heng Sinith) (AP Photo / Heng Sinith)
Por Clara Moskowitz, para Salon Junio 19 de 2018
Los físicos han detectado partículas fantasmales llamadas neutrinos que se comportan mal en un experimento de Illinois, lo que sugiere que existe una especie extra de neutrinos. Si se confirma, los hallazgos serían nada menos que revolucionarios, introduciendo una nueva partícula fundamental en el léxico de la física que incluso podría ayudar a explicar el misterio de la materia oscura.
Sin inmutarse por el hecho de que nadie está de acuerdo con lo que realmente significan las observaciones, los expertos reunidos en una conferencia de neutrinos esta semana en Alemania ya están discutiendo con entusiasmo estas y otras implicaciones de largo alcance.
Los neutrinos son confusos para empezar. Formados hace mucho tiempo en los primeros momentos del universo y hoy en los corazones de las estrellas y los núcleos de los reactores nucleares, las partículas minúsculas viajan casi a la velocidad de la luz y apenas interactúan con ninguna otra cosa; miles de millones pasan inofensivamente a través de su cuerpo cada día, y un neutrino típico podría atravesar una capa de plomo con un año luz de grueso ileso. Desde su descubrimiento a mediados del siglo XX, se pronosticó que los neutrinos no pesarían en absoluto, pero los experimentos en la década de 1990 mostraron que sí tienen algo de masa, aunque los físicos aún no saben exactamente cuánto.
Más extraño todavía, vienen en tres variedades conocidas, o sabores: neutrinos electrónicos, neutrinos de muón y neutrinos tau, y, lo que es más extraño, pueden transformarse de un sabor a otro. Debido a estas rarezas y otras, muchos físicos han estado apostando a los neutrinos para abrir la puerta a la próxima frontera en física.
Ahora algunos piensan que la puerta se ha roto. El descubrimiento proviene de 15 años de datos recopilados por el Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) en el Fermi National Accelerator Laboratory en Batavia, Illinois. MiniBooNE detecta y caracteriza a los neutrinos por los destellos de luz que ocasionalmente crean cuando golpean los núcleos atómicos en un cuba gigante llena con 800 toneladas de aceite mineral puro. Su diseño es similar al de un proyecto anterior, el detector de neutrinos Liquid Scintillator (LSND) en el Laboratorio Nacional Los Álamos en Nuevo México. En la década de 1990 LSND observó una curiosa anomalía, un número de neutrinos electrónicos mayor de lo esperado en un haz de partículas que comenzó como neutrinos de muón; MiniBooNE ahora ha visto lo mismo, en un haz de neutrinos generado por uno de los aceleradores de partículas de Fermilab.
Debido a que los neutrinos muónicos no pudieron haberse transformado directamente en sabor de electrones durante la corta distancia del experimento LSND, los teóricos propusieron en ese momento que algunas de las partículas oscilaban en un cuarto sabor, un "neutrino estéril", y luego se convirtieron en neutrinos electrónicos. produciendo el exceso misterioso. Aunque la posibilidad era tentadora, muchos físicos asumieron que los hallazgos eran un golpe de suerte, causados por un error mundano particular a LSND. Pero ahora que MiniBooNE ha observado el mismo patrón, los científicos se ven obligados a contar con causas potencialmente más profundas para el fenómeno. "Ahora tiene que decir realmente que tiene dos experimentos que ven el mismo efecto de física, por lo que debe haber algo fundamental en marcha", dice el co-portavoz de MiniBooNE Richard Van de Water de Los Alamos. "La gente ya no puede ignorar esto".
El equipo de MiniBooNE presentó sus hallazgos el 30 de mayo al servidor de preprint arXiv y los presentará esta semana en la XXVIII Conferencia Internacional sobre Física y Astrofísica de Neutrinos en Heidelberg, Alemania.
Un cuarto sabor
Los neutrinos estériles son una perspectiva emocionante, pero los expertos externos dicen que es demasiado pronto para concluir que esas partículas están detrás de las observaciones. "Si se trata de neutrinos estériles, sería revolucionario", dice Mark Thomson, físico de neutrinos y director ejecutivo del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología del Reino Unido, que no formó parte de la investigación. "Pero eso es un gran 'si'".
Este nuevo sabor se llamaría "estéril" porque las partículas no sentirían ninguna de las fuerzas de la naturaleza, salvo la gravedad, lo que efectivamente bloquearía la comunicación con el resto del mundo de las partículas. Aun así, aún tendrían masa, lo que podría convertirlos en una explicación atractiva para la misteriosa "materia oscura" que parece contribuir con masa adicional a las galaxias y los cúmulos de galaxias. "Si hay un neutrino estéril, no es solo una partícula extra que cuelga por ahí, sino tal vez un mensajero para el 'sector oscuro' del universo", dice Van de Water. "Por eso es realmente emocionante". Sin embargo, los neutrinos estériles que podrían aparecer en MiniBooNE parecen ser demasiado livianos para explicar la materia oscura en sí mismos, sino que podrían ser la primera vanguardia de un grupo completo de neutrinos estériles de varias masas. "Una vez que hay un (neutrino estéril), surge la pregunta: ¿cuántos?", Dice Kevork Abazajian, físico teórico de la Universidad de California en Irvine. "Podrían participar en oscilaciones y ser materia oscura".
Sin embargo, los hallazgos son difíciles de interpretar, porque si los neutrinos se transforman en neutrinos estériles en MiniBooNE, los científicos esperarían medir no solo la aparición de neutrinos extra de electrones, sino también una correspondiente desaparición de los neutrinos muónicos, como equilibrados como dos lados de una ecuación Sin embargo, MiniBooNE y otros experimentos no ven tal desaparición. "Es un problema, pero no es un gran problema", dice el físico teórico André de Gouvêa de Fermilab. "La razón por la cual esta no es una prueba irrefutable contra la hipótesis del neutrino estéril es que la [detección] desaparición es muy difícil. Tienes que saber exactamente cuánto tenías al principio, y eso es un desafío ".
¿Otro misterio?
O quizás MiniBooNE ha descubierto algo grande, pero no neutrinos estériles. Tal vez algún otro aspecto nuevo del universo sea responsable del inesperado patrón de partículas en el rayo del experimento. "En este momento las personas están pensando si hay otros fenómenos nuevos que podrían resolver esta ambigüedad", dice de Gouvêa. "Tal vez los neutrinos tengan alguna fuerza nueva en la que no hayamos pensado, o tal vez los neutrinos se descompongan de alguna manera divertida". Parece que todavía no hemos llegado a la hipótesis correcta ".
Inusualmente, este es un misterio que los físicos no tendrán que esperar demasiado para resolverlo. Otro experimento en Fermilab llamado MicroBooNE fue diseñado para seguir MiniBooNE y podrá estudiar el exceso más de cerca. Una desventaja de MiniBooNE es que no puede estar seguro de que los destellos de luz que ve realmente provengan de los neutrinos; es posible que algún proceso desconocido esté produciendo un exceso de fotones que imiten a la señal de neutrinos. MicroBooNE, que debería entregar sus primeros datos más adelante este año, puede distinguir entre señales de neutrinos e impostores. Si la señal resulta ser un exceso de fotones ordinarios, en lugar de neutrinos de electrones, entonces todas las apuestas están apagadas. "No sabemos qué haría eso en términos de física, pero si se debe a fotones, sabemos que esta interpretación de neutrinos estériles no es correcta", dice de Gouvêa.
Además de MicroBooNE, Fermilab está construyendo otros dos detectores para sentarse en el mismo haz de neutrinos y trabajar en concierto para estudiar las oscilaciones de neutrinos allí. Conocido colectivamente como el programa de neutrinos de línea de base corta, el nuevo sistema debería estar en funcionamiento para 2020 y podría entregar datos definitivos en la primera parte de esa década, dice Steve Brice, jefe de la división Neutrino de Fermilab.
Hasta entonces, los físicos continuarán debatiendo sobre los misterios de los neutrinos, un campo que está creciendo en tamaño y emoción cada año. La reunión que tiene lugar ahora en Heidelberg, por ejemplo, es la conferencia de neutrinos más grande de la historia. "Ha sido un constante aumento en la última década", dice Brice. "Es un área que es difícil de estudiar, pero está demostrando ser un campo muy fructífero para la física".
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Los "neutrinos estériles" que ignoran todas las demás partículas pueden aparecer en experimentos
La luna está oscureciendo parte del sol sobre las flores durante un eclipse solar en Phnom Penh, Camboya, miércoles, 9 de marzo de 2016. El sol de la Tierra es la principal fuente natural de emisiones de neutrinos detectables en la Tierra. Crédito de la imagen: (AP Photo / Heng Sinith) (AP Photo / Heng Sinith)
Por Clara Moskowitz, para Salon Junio 19 de 2018
Los físicos han detectado partículas fantasmales llamadas neutrinos que se comportan mal en un experimento de Illinois, lo que sugiere que existe una especie extra de neutrinos. Si se confirma, los hallazgos serían nada menos que revolucionarios, introduciendo una nueva partícula fundamental en el léxico de la física que incluso podría ayudar a explicar el misterio de la materia oscura.
Sin inmutarse por el hecho de que nadie está de acuerdo con lo que realmente significan las observaciones, los expertos reunidos en una conferencia de neutrinos esta semana en Alemania ya están discutiendo con entusiasmo estas y otras implicaciones de largo alcance.
Los neutrinos son confusos para empezar. Formados hace mucho tiempo en los primeros momentos del universo y hoy en los corazones de las estrellas y los núcleos de los reactores nucleares, las partículas minúsculas viajan casi a la velocidad de la luz y apenas interactúan con ninguna otra cosa; miles de millones pasan inofensivamente a través de su cuerpo cada día, y un neutrino típico podría atravesar una capa de plomo con un año luz de grueso ileso. Desde su descubrimiento a mediados del siglo XX, se pronosticó que los neutrinos no pesarían en absoluto, pero los experimentos en la década de 1990 mostraron que sí tienen algo de masa, aunque los físicos aún no saben exactamente cuánto.
Más extraño todavía, vienen en tres variedades conocidas, o sabores: neutrinos electrónicos, neutrinos de muón y neutrinos tau, y, lo que es más extraño, pueden transformarse de un sabor a otro. Debido a estas rarezas y otras, muchos físicos han estado apostando a los neutrinos para abrir la puerta a la próxima frontera en física.
Ahora algunos piensan que la puerta se ha roto. El descubrimiento proviene de 15 años de datos recopilados por el Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) en el Fermi National Accelerator Laboratory en Batavia, Illinois. MiniBooNE detecta y caracteriza a los neutrinos por los destellos de luz que ocasionalmente crean cuando golpean los núcleos atómicos en un cuba gigante llena con 800 toneladas de aceite mineral puro. Su diseño es similar al de un proyecto anterior, el detector de neutrinos Liquid Scintillator (LSND) en el Laboratorio Nacional Los Álamos en Nuevo México. En la década de 1990 LSND observó una curiosa anomalía, un número de neutrinos electrónicos mayor de lo esperado en un haz de partículas que comenzó como neutrinos de muón; MiniBooNE ahora ha visto lo mismo, en un haz de neutrinos generado por uno de los aceleradores de partículas de Fermilab.
Debido a que los neutrinos muónicos no pudieron haberse transformado directamente en sabor de electrones durante la corta distancia del experimento LSND, los teóricos propusieron en ese momento que algunas de las partículas oscilaban en un cuarto sabor, un "neutrino estéril", y luego se convirtieron en neutrinos electrónicos. produciendo el exceso misterioso. Aunque la posibilidad era tentadora, muchos físicos asumieron que los hallazgos eran un golpe de suerte, causados por un error mundano particular a LSND. Pero ahora que MiniBooNE ha observado el mismo patrón, los científicos se ven obligados a contar con causas potencialmente más profundas para el fenómeno. "Ahora tiene que decir realmente que tiene dos experimentos que ven el mismo efecto de física, por lo que debe haber algo fundamental en marcha", dice el co-portavoz de MiniBooNE Richard Van de Water de Los Alamos. "La gente ya no puede ignorar esto".
El equipo de MiniBooNE presentó sus hallazgos el 30 de mayo al servidor de preprint arXiv y los presentará esta semana en la XXVIII Conferencia Internacional sobre Física y Astrofísica de Neutrinos en Heidelberg, Alemania.
Un cuarto sabor
Los neutrinos estériles son una perspectiva emocionante, pero los expertos externos dicen que es demasiado pronto para concluir que esas partículas están detrás de las observaciones. "Si se trata de neutrinos estériles, sería revolucionario", dice Mark Thomson, físico de neutrinos y director ejecutivo del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología del Reino Unido, que no formó parte de la investigación. "Pero eso es un gran 'si'".
Este nuevo sabor se llamaría "estéril" porque las partículas no sentirían ninguna de las fuerzas de la naturaleza, salvo la gravedad, lo que efectivamente bloquearía la comunicación con el resto del mundo de las partículas. Aun así, aún tendrían masa, lo que podría convertirlos en una explicación atractiva para la misteriosa "materia oscura" que parece contribuir con masa adicional a las galaxias y los cúmulos de galaxias. "Si hay un neutrino estéril, no es solo una partícula extra que cuelga por ahí, sino tal vez un mensajero para el 'sector oscuro' del universo", dice Van de Water. "Por eso es realmente emocionante". Sin embargo, los neutrinos estériles que podrían aparecer en MiniBooNE parecen ser demasiado livianos para explicar la materia oscura en sí mismos, sino que podrían ser la primera vanguardia de un grupo completo de neutrinos estériles de varias masas. "Una vez que hay un (neutrino estéril), surge la pregunta: ¿cuántos?", Dice Kevork Abazajian, físico teórico de la Universidad de California en Irvine. "Podrían participar en oscilaciones y ser materia oscura".
Sin embargo, los hallazgos son difíciles de interpretar, porque si los neutrinos se transforman en neutrinos estériles en MiniBooNE, los científicos esperarían medir no solo la aparición de neutrinos extra de electrones, sino también una correspondiente desaparición de los neutrinos muónicos, como equilibrados como dos lados de una ecuación Sin embargo, MiniBooNE y otros experimentos no ven tal desaparición. "Es un problema, pero no es un gran problema", dice el físico teórico André de Gouvêa de Fermilab. "La razón por la cual esta no es una prueba irrefutable contra la hipótesis del neutrino estéril es que la [detección] desaparición es muy difícil. Tienes que saber exactamente cuánto tenías al principio, y eso es un desafío ".
¿Otro misterio?
O quizás MiniBooNE ha descubierto algo grande, pero no neutrinos estériles. Tal vez algún otro aspecto nuevo del universo sea responsable del inesperado patrón de partículas en el rayo del experimento. "En este momento las personas están pensando si hay otros fenómenos nuevos que podrían resolver esta ambigüedad", dice de Gouvêa. "Tal vez los neutrinos tengan alguna fuerza nueva en la que no hayamos pensado, o tal vez los neutrinos se descompongan de alguna manera divertida". Parece que todavía no hemos llegado a la hipótesis correcta ".
Inusualmente, este es un misterio que los físicos no tendrán que esperar demasiado para resolverlo. Otro experimento en Fermilab llamado MicroBooNE fue diseñado para seguir MiniBooNE y podrá estudiar el exceso más de cerca. Una desventaja de MiniBooNE es que no puede estar seguro de que los destellos de luz que ve realmente provengan de los neutrinos; es posible que algún proceso desconocido esté produciendo un exceso de fotones que imiten a la señal de neutrinos. MicroBooNE, que debería entregar sus primeros datos más adelante este año, puede distinguir entre señales de neutrinos e impostores. Si la señal resulta ser un exceso de fotones ordinarios, en lugar de neutrinos de electrones, entonces todas las apuestas están apagadas. "No sabemos qué haría eso en términos de física, pero si se debe a fotones, sabemos que esta interpretación de neutrinos estériles no es correcta", dice de Gouvêa.
Además de MicroBooNE, Fermilab está construyendo otros dos detectores para sentarse en el mismo haz de neutrinos y trabajar en concierto para estudiar las oscilaciones de neutrinos allí. Conocido colectivamente como el programa de neutrinos de línea de base corta, el nuevo sistema debería estar en funcionamiento para 2020 y podría entregar datos definitivos en la primera parte de esa década, dice Steve Brice, jefe de la división Neutrino de Fermilab.
Hasta entonces, los físicos continuarán debatiendo sobre los misterios de los neutrinos, un campo que está creciendo en tamaño y emoción cada año. La reunión que tiene lugar ahora en Heidelberg, por ejemplo, es la conferencia de neutrinos más grande de la historia. "Ha sido un constante aumento en la última década", dice Brice. "Es un área que es difícil de estudiar, pero está demostrando ser un campo muy fructífero para la física".
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