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Artículo publicado por Michael Allen el 13 de mayo de 2016 en physicsworld.com

Los investigadores no han encontrado pruebas de neutrinos estériles en los dos años de recopilación de datos procedentes del Observatorio de Neutrinos IceCube en el Polo Sur. La colaboración internacional de científicos que ha manejado el detector dice que los resultados arrojan serias dudas sobre la existencia de estas hipotéticas partículas.

Enterrado bajo el hielo de la Estación del Polo Sur Amundsen–Scott, IceCube está diseñado para buscar partículas de alta energía procedentes del espacio, incluyendo rayos cósmicos y neutrinos. Consta de 5160 sensores de luz suspendidos de 86 cuerdas en 1 km3 de hielo. Cuando una partícula interactúa con el hielo ultraclaro puede crear destellos de luz que son detectados. En 2013 la colaboración IceCube anunció la primera detección de la historia de neutrinos cósmicos.

Dark Sector

IceCube Crédito: Joseph Phillips

Los neutrinos son partículas sin carga eléctrica y se sabe que aparecen en tres “sabores”: electrón, muon y tau. Originalmente se pensaba que no tenían masa, pero el descubrimiento de que pueden cambiar, u “oscilar”, entre distintos sabores sugiere que sí la tienen. Hay mucho que los físicos no comprenden sobre los neutrinos, y algunos resultados experimentales son difíciles de reconciliar con el modelo de tres neutrinos, pero la existencia de un cuarto tipo de neutrino, el neutrino estéril, podrá proporcionar una explicación.

Difíciles de detectar

Los neutrinos estériles sólo interactuarían con otra materia a través de la gravedad – haciéndolos aún más difíciles de detectar que otros neutrinos. De existir, ayudarían a responder importantes preguntas sobre los neutrinos, tales como por qué tienen masa y si son partículas de materia oscura. Varios experimentos están estudiando la existencia de neutrinos estériles, pero por el momento no se ha detectado ninguna de estas partículas.

En la última investigación, la colaboración IceCube realizó un análisis independiente en dos conjuntos de datos procedentes del observatorio, buscando neutrinos estériles en el rango de energía aproximadamente entre los 320 GeV y 20 TeV. Si están ahí, los neutrinos estériles ligeros con una masa de alrededor de 1 eV/C2 provocarían una desaparición significativa del número total de neutrinos muon producidos por las lluvias de rayos cósmicos en la atmósfera por encima del hemisferio norte y que viajan por toda la Tierra hasta alcanzar a IceCube. El primer conjunto de datos incluyó más de 20 000 eventos de neutrinos muon detectados entre 2011 y 2012, mientras que el segundo cubrió casi 22 000 eventos observados entre 2009 y 2010.

Cuando los neutrinos viajan a través del espacio, oscilan de un sabor a otro. Los físicos saben que estas oscilaciones se modifican cuando los neutrinos viajan a través de materia densa, debido a que los neutrinos interactúan ligeramente con los electrones y nucleones de su alrededor. Los neutrinos estériles, sin embargo, no interactuarían con la materia, y el resultado sería un efecto de resonancia en las oscilaciones de los neutrinos a energías alrededor de pocos TeV. Francis Halzen, investigador principal de IceCube y físico de partículas en la Universidad de Wisconsin–Madison en los Estados Unidos, dice que esto “debería verse claramente como una acusada disminución en nuestras medidas del espectro de neutrinos muon”, y también produciría “una estructura característica en la distribución del ángulo de cénit de estos neutrinos”. “No hemos observado ninguna”, añade. “La ausencia de esta resonancia es bastante notable y no puede pasarse por alto”.

Se descartan avistamientos anteriores

De acuerdo con la colaboración IceCube, estos resultados no descartan completamente a los neutrinos estériles, pero excluyen gran parte del espacio de parámetros en el cual podrían existir. En particular, los resultados excluyen, con un nivel de confianza de aproximadamente el 99%, el espacio de parámetros permitido para varios experimentos que habían observado anomalías en las oscilaciones de neutrinos, las cuales se habían interpretado como posubles señales de neutrinos estériles.

Halzen dice que no encontrar una señal característica de neutrinos estériles “pone en serias dudas su existencia, o su papel para explicar las anomalías que puedan aparecer en los datos de neutrinos”. Hablando sobre las anomalías observadas en las oscilaciones de neutrinos, dice que “sabemos que las oscilaciones de neutrinos necesitan una física más allá del Modelo Estándar. Ahora parece menos probable que los neutrinos estériles sean parte de ella”.

Sin embargo, Patrick Huber, de Virginia Tech en los Estados Unidos, dice que aunque “es un resultado maravilloso”, proporciona “poco que no supiésemos” y “cualitativamente no cambia mucho”. “Para abordar la cuestión de los neutrinos estériles, se necesita un experimento decisivo. Una posibilidad habría sido sar los haces de muones almacenados, pero esto se descartó por ser demasiado caro. Sin embargo, pongo en duda que esta cuestión pueda zanjarse con un experimento de este tipo, a menos que tengamos mucha suerte y, por ejemplo, la próxima generación de experimentos de reactor con línea base corta encuentren una señal de los neutrinos estériles”, comenta a physicsworld.com.

Las medidas y análisis se describen en el servidor de arXiv.

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