Esta vista previa de la temporada de observadores de neutrinos le dará un resumen de lo que se espera que salga de la investigación de neutrinos en los próximos años.
Symmetry Magazine
Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
Por Ali Sundermier, para Symmetry Magazine Mayo 24 de 2018
Hay mucho que esperar en el mundo de los neutrinos, diminutas partículas que pasan constantemente inadvertidas a través de nosotros.
Según el teórico Alexander Friedland del SLAC National Accelerator Laboratory, si observaste el campo de la investigación de neutrinos hace 20 años, no lo reconocerías en comparación con lo que es ahora. "Los desarrollos han sido absolutamente extraordinarios", dijo. "Ha evolucionado mucho".
Hace veinte años, en 1998, los neutrinos expusieron un defecto del Modelo Estándar de física de partículas, la mejor explicación de los científicos de las partículas fundamentales y las fuerzas que lo componen todo. De acuerdo con el Modelo Estándar, los neutrinos no deberían tener masa. Pero de acuerdo con las observaciones de Super-Kamiokande y luego los experimentos del Observatorio de Neutrinos de Sudbury, lo hicieron. Ya se sabía que venían en tres tipos, pero si tenían masa, esto significaba que también cambiaban de un tipo a otro cuando volaban a casi la velocidad de la luz.
Muchos misterios permanecen sobre estas partículas con masas minúsculas: ¿los neutrinos en realidad vienen en cuatro tipos, como lo sugieren algunos experimentos? ¿Cuáles son las masas de neutrinos? ¿Los neutrinos son sus propias antipartículas? ¿Qué pueden decirnos los neutrinos sobre el Modelo Estándar, los fenómenos astrofísicos y la formación del universo?
Nuestros experimentos actuales de neutrinos han llegado a una especie de punto intermedio, dice Lindley Winslow, físico del MIT. "Estamos recargando combustible y mirando los mapas y calculando nuestros próximos pasos en esta tierra realmente inexplorada", dijo ella. "Es un poco de tiempo para felicitarnos por haber llegado a este punto y luego dar un gran empujón a lo desconocido".
Con Neutrino 2018, la XXVIII Conferencia Internacional sobre Física y Astrofísica de Neutrinos, a la vuelta de la esquina, preguntamos a algunos expertos en neutrinos por sus rápidas aproximaciones a la lista de experimentos de esta temporada y sus predicciones para próximas victorias en el campo. Esto es lo que tenían que decir.
Persiguiendo sabores ocultos
Se sabe que los neutrinos oscilan entre tres tipos conocidos, o sabores, a medida que se mueven a través del espacio: electrón, muón y tau. Pero en 1995, los físicos que trabajaban en el Detector de Neutrinos Liquid Scintillator, o LSND, en el Laboratorio Nacional de Los Álamos tropezaron con pistas de que podría haber un sabor extra escondido en el banquillo. Lo llamaron un "neutrino estéril", un sabor de neutrino que no interactuaría como los demás.
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"Los neutrinos superan en número a los electrones, protones y neutrones en el universo de hoy en un factor de 10 mil millones", dice el físico Joshua Spitz de la Universidad de Michigan.
"Dado esto, es fácil ver que la existencia de un cuarto tipo de neutrino, y la correspondiente mezcla con los otros tres, habría afectado significativamente la evolución del universo. Específicamente, la estructura a gran escala, la formación de galaxias, la materia oscura, los observables cósmicos de fondo de microondas y la creación y abundancia de elementos pesados podrían verse afectados por la adición de un nuevo tipo de neutrinos ".
En los años transcurridos desde la anomalía LSND, los físicos han estado diseñando experimentos orientados a perseguir este sabor oculto. En 2002, el experimento MiniBooNE comenzó a recopilar datos relacionados con esto en Fermi National Accelerator Laboratory.
Los resultados hasta ahora han demostrado un exceso de eventos MiniBooNE que es consistente con la señal LSND, pero no está claro cómo encaja esto en un modelo de neutrinos estériles. Los co-portavoces de MiniBooNE, Richard Van de Water y Rex Tayloe, planean presentar los resultados actualizados en Neutrino 2018 que agregarán nueva información significativa.
"Los resultados proporcionarán nueva información y puntos de vista sobre la cuestión de los excesos LSND y MiniBooNE, especialmente la cuestión de la consistencia de los dos conjuntos de datos que indican si la física nueva, como los neutrinos estériles u otros modelos más complicados, están en juego". Van de Water dijo.
Además, nuevos experimentos más sensibles recién comienzan a estar en línea. El sucesor de MiniBooNE es un experimento llamado MicroBooNE; se espera que publique sus primeros resultados de física en el próximo año. MicroBooNE eventualmente se unirá a Fermilab por ICARUS y SBND, formando un conjunto de tres detectores conocidos como el programa de neutrinos de línea de base corta.
Más allá de estos experimentos basados en aceleradores, que también incluyen el JSNS2 basado en Japón, varios experimentos basados en fuentes radiactivas y en reactores, incluidos PROSPECT, STEREO, DANSS, CHANDLER y SOLID, también funcionan y esperan atrapar el neutrino estéril teorizado. alguna vez en el futuro cercano.
Abordar el pedido masivo
Del mismo modo que sabemos que hay al menos tres sabores diferentes de neutrinos, también sabemos que hay tres masas de neutrinos diferentes. Pero cómo se ordenan estos estados masivos sigue siendo un misterio. Hay dos formas posibles de estados de masa de neutrinos: normal o invertida. Aunque muchos signos apuntan a un orden normal, la llamada final aún está en revisión.
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Saber si los neutrinos tienen un orden de masas normal o invertido puede ayudar a los científicos a probar otros modelos del universo, como uno en el que las cuatro fuerzas de la naturaleza se unen en una a altas energías.
En contraste con los experimentos de base corta que buscan neutrinos estériles, los experimentos que abordan la cuestión del ordenamiento masivo están diseñados para durar mucho tiempo. Los dos principales experimentos de larga base en operación son el experimento T2K organizado por el laboratorio acelerador KEK, que monitorea un haz de neutrinos que viaja más de 180 millas en Japón, y NOvA alojado por Fermilab, que estudia un haz que se origina a aproximadamente 500 millas del detector en los Estados Unidos. Fermilab acaba de completar una actualización de sus aceleradores, y el detector para el experimento T2K obtendrá sensibilidad con una actualización este verano. Los experimentos basados en reactores, como el experimento Daya Bay Reactor Neutrino en China, también están involucrados en la investigación.
Muchos de los expertos consultados para este artículo -incluidos André de Gouvêa en Northwestern y Friedland en SLAC- dicen que esperan ansiosos los resultados de los próximos años de NOvA y T2K que nos podrían acercar más que nunca a descifrar la ordenamiento masivo
Según Spitz en Michigan, las observaciones basadas en telescopios de estructuras a gran escala también están ganando sensibilidad para medir la suma de las masas de neutrinos al observar su influencia en la aglomeración gravitacional de la materia en el universo temprano. Combinar esto con otros resultados podría permitir a los científicos descubrir el orden de la masa de neutrinos.
"Ver el acuerdo entre NOvA, T2K y las observaciones telescópicas de esta propiedad de los neutrinos será absolutamente extraordinario", dijo, "y ver el desacuerdo podría ser aún más interesante". Esto realmente será 'física de astropartículas', cuando podamos comenzar a relacionar las propiedades del neutrino con la formación del universo ".
Otros experimentos están trabajando para medir la masa combinada de los tres tipos de neutrinos. KATRIN, un experimento de neutrinos en Alemania con un espectrómetro de 200 toneladas en su núcleo, acaba de comenzar a tomar datos. El experimento medirá la energía de los electrones escupida durante la descomposición del isótopo radioactivo tritio y buscará distorsiones muy leves que guiarán a los investigadores hacia la masa absoluta del neutrino.
"La masa absoluta de neutrinos es una de estas cosas que los experimentos de oscilación no pueden ver en absoluto", dice Alexander Himmel, físico de Fermilab. "Estamos viendo el comienzo de la toma de datos con KATRIN. Es un experimento muy desafiante desde el punto de vista técnico y ha sido lento para comenzar a funcionar, por lo que en los próximos años esperamos obtener medidas realmente hermosas de ellos, lo que creo que será muy emocionante ".
El Proyecto 8, otro experimento que va después de la masa absoluta del neutrino, también usará tritio, midiendo la energía de los electrones individuales midiendo la frecuencia de su movimiento en espiral en un campo magnético. Aunque el objetivo del Proyecto 8 es demostrar la tecnología, los físicos esperan ampliar la técnica en el futuro.
Soplar el silbato por faltas de neutrinos
La mayoría de las partículas en nuestro universo tienen antipartículas correspondientes, que tienen cargas iguales pero opuestas de sus compañeros.
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Los científicos creen que durante el Big Bang, debería haber habido cantidades iguales de materia y antimateria en el universo. Pero cuando la materia y la antimateria chocan, se aniquilan. Este partido debería haber terminado en un empate, con la materia y la antimateria cancelando entre sí y dejando atrás nada más que energía.
Y sin embargo, de alguna manera, como se puede adivinar en el mundo lleno de materia en el que vivimos, la materia salió victoriosa. Los científicos todavía están tratando de descubrir por qué. Aquí es donde las violaciones de la paridad de carga entran en juego.
Durante un tiempo, los físicos creían que tenía que haber algún tipo de simetría entre el comportamiento de las partículas y sus compañeros de equipo antimateria, llamada simetría CP. Esto significa que si los antineutrinos sustituyen a los neutrinos, el universo debería tratarlos de manera idéntica. Pero si esta simetría se rompe de alguna manera, podría explicar cómo la materia obtuvo la ventaja.
Los experimentos de línea de base larga como NOvA y T2K, con ayuda de experimentos basados en reactores como Daya Bay, se han propuesto rastrear las oscilaciones de neutrinos y antineutrinos para determinar si son fundamentalmente diferentes. Eso indicaría que CP está roto, ofreciendo una posible explicación de por qué la materia se llevó a casa la victoria en la creación del universo.
Según Friedland, uno de los principales anuncios de neutrinos que se esperan pronto es la publicación de datos antineutrinos del experimento NOvA, que, en combinación con T2K, reforzará los indicios existentes de violación del CP o enviará equipos de científicos en una nueva dirección .
"Estamos viendo indicios de que algo interesante está sucediendo entre neutrinos y antineutrinos", dice Kendall Mahn, físico de la Universidad Estatal de Michigan. "Estamos tratando de tomar más datos para ver si esto se convertirá en algo realmente emocionante o desaparecerá. Simplemente nos muestra que estamos realmente a la vanguardia de algo ".
Otra posible ruptura de simetría que podría haber ayudado a esculpir el universo tal como la conocemos se llama violación del número lepton. Esto ocurriría si los neutrinos fueran realmente sus propias antipartículas. Los científicos están probando esta hipótesis buscando un proceso en el cual los neutrinos actúen como sus propios opuestos y se anulen mutuamente: la desintegración beta-beta sin neutrinos.
Experimentos como CUORE, Majorana Demonstrator, GERDA y NEXT están a la ofensiva, todos han publicado recientemente nuevos resultados. Los resultados de KamLAND-Zen 800 también se esperan para fin de año.
"Simplemente encender el detector fue una hazaña en sí mismo", dice Winslow en MIT, refiriéndose a CUORE. "Ahora tenemos el trabajo duro de mantenerlo funcionando durante cinco años y obtener la máxima sensibilidad donde realmente pensamos que deberíamos poder ver algo".
La prueba de aptitud del modelo estándar
Los científicos no solo están estudiando neutrinos en experimentos de neutrinos; también están creando pruebas del Modelo Estándar. El verano pasado, los físicos involucrados en el experimento COHERENT hospedado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge pudieron medir por primera vez un fenómeno predicho a través del Modelo Estándar que se había buscado durante cuatro décadas sin ser detectado. El fenómeno, conocido como dispersión coherente del neutrino-núcleo elástico, también entra en juego en las explosiones de las supernovas.
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En la dispersión coherente del neutrino-núcleo elástico, un neutrino que golpea el núcleo de un átomo no golpea solo una parte de él -un protón o un neutrón- sino que patea todo el núcleo como un todo.
"Es como golpear una bola de boliche con una pelota de ping pong", dice Kate Scholberg, física de Duke. "Los neutrinos casi nunca interactúan, pero esta sección transversal es tan grande que la probabilidad de una colisión es 100 veces mayor que la de una interacción regular de neutrinos. El problema es que cuando golpeas una bola de boliche con una pelota de ping pong, es difícil que la bola de boliche ruede muy rápido, hay un retroceso de baja energía (que es difícil de observar) ".
En los próximos meses, COHERENT, que actualmente ostenta el título de detector de neutrinos más pequeño del mundo, continuará publicando resultados, buscando este efecto en diferentes núcleos, lo que finalmente conducirá a detectores más grandes capaces de buscar efectos de oscilación adicionales.
Tomar diferentes enfoques es clave para impulsar la investigación de neutrinos, dice Janet Conrad, física del MIT. Otro instrumento que espera utilizar para mediciones de precisión que prueban el Modelo Estándar es IceCube, el observatorio gigante de neutrinos del Polo Sur que consiste en un kilómetro cúbico de hielo antártico.
"IceCube es un detector único que ha producido buenos resultados de materia oscura y un límite de neutrinos estériles realmente interesante", dice, "pero creo que lo que muchas personas no se dan cuenta es lo fantástico que es IceCube, el detector de búsqueda más allá del modelo estándar". . Y está mejorando a medida que entendemos los detectores cada vez más. Dentro de la comunidad de física de partículas, IceCube es el caballo oscuro que corre a nuestro lado y que aún no hemos reconocido ".
El comodín
Cuando una estrella masiva explota, los primeros mensajeros que envía a través de la galaxia son sus neutrinos rápidos y sin obstáculos. Debido a que estos neutrinos escapan del núcleo colapsable de la estrella, contienen información sobre las primeras etapas de los eventos de supernova que no están disponibles de ninguna otra manera.
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En 1987, Supernova 1987A explotó en una galaxia cercana. Kamiokande-II, el detector Irvine-Michigan-Brookhaven y el observatorio Baksan Neutrino registraron cada uno un estallido de eventos de neutrinos de la explosión. Las detecciones permitieron a los científicos confirmar modelos teóricos de lo que sucede en el corazón de estas violentas explosiones estelares.
Aunque no estamos seguros de cuándo se producirá la próxima supernova galáctica, la idea de que pueda suceder en las próximas décadas, durante un tiempo en el que hay un número creciente de experimentos de neutrinos en funcionamiento, es emocionante para muchos, incluidos Scholberg y Friedland. .
"Se estima que la tasa de explosiones de supernova es de dos a tres por siglo en nuestra galaxia", dice Friedland, "que es aproximadamente la misma tasa que los grandes terremotos que ocurren en el Área de la Bahía". En el caso de las supernovas, al igual que en el caso de los terremotos, no sabemos si se activará mañana, pero definitivamente vale la pena estar preparados ".
Por el momento, dice Scholberg, siete grandes detectores de neutrinos podrían observar una supernova galáctica, y más se unirán a ellos en los próximos años. Ver una supernova cercana nos permitiría realizar muchas preguntas detalladas sobre los fenómenos astrofísicos distantes, lo que informará mejor nuestras teorías del universo.
Entrando en horas extras
Antes del final de esta década, experimentos adicionales como JUNO, un observatorio subterráneo en China que se basará en los éxitos del experimento del reactor de Daya Bay, entrarán en funcionamiento.
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En los próximos 10 a 15 años, los experimentos continuarán creciendo y mejorando. El experimento de neutrinos subterráneos profundos alojado en Fermilab, DUNE, enviará neutrinos a competir a más de 800 millas en los Estados Unidos para comprender mejor sus oscilaciones y potencialmente responder de manera definitiva a algunas de nuestras preguntas actuales.
Cada pregunta que los científicos responden está ligada a otras preguntas, y cada punto puntuado acerca a los físicos a los triunfos que podrían revolucionar nuestra imagen del universo, desde sus partículas más pequeñas hasta sus fenómenos astrofísicos de mayor escala.
"Todos los días entro en el trabajo y damos un pequeño paso hacia un nuevo entendimiento", dice Mahn. "Hay más cosas por ahí y nos estamos acercando".
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