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cincinnati – Cada segundo, miles de millones de partículas invisibles se mueven por tu cuerpo a la velocidad de la luz. Estos viajeros extraviados, llamados neutrinos, pueden contener la clave de algunas de las preguntas más importantes de la ciencia, incluido por qué existimos. Ahora, un equipo internacional de científicos ha trazado un proyecto de una década de duración para descubrir sus secretos.
«Puede que no suponga una diferencia en la vida diaria, pero estamos tratando de entender por qué estamos aquí», explica Alexander Sousa, profesor de física en la Universidad de Cincinnati y uno de los editores del libro blanco One. , en un comunicado. «Los neutrinos parecen tener la clave para responder estas preguntas profundas».
Estas misteriosas partículas se producen en varias cabinas cósmicas: la fusión nuclear que alimenta nuestro Sol, la desintegración radiactiva en la corteza terrestre y los reactores nucleares, y laboratorios especiales de aceleradores de partículas. A medida que avanzan por el espacio, los neutrinos pueden cambiar de forma entre tres «sabores» diferentes: neutrinos electrónicos, muónicos y tau.
Sin embargo, desde hace más de dos décadas, algo extraño está sucediendo en los experimentos con neutrinos, lo que deja a los físicos rascándose la cabeza. Muchos estudios importantes han observado patrones que no coinciden con nuestra comprensión actual de cómo deberían comportarse estas partículas.
El enigma más famoso surgió del experimento del detector de neutrinos con centelleo líquido (LSND) en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, que detectó más antineutrinos electrónicos de los que predecían sus teorías. Esta adición inesperada fue respaldada posteriormente por resultados similares en el experimento MiniBooNE del Fermilab. Mientras tanto, las mediciones de neutrinos de reactores nucleares y fuentes radiactivas han mostrado consistentemente menos antineutrinos electrónicos de lo esperado.
Estas anomalías han llevado a los científicos a proponer una posibilidad interesante: puede haber un cuarto tipo de neutrino, llamado «germen» porque parece inmune a tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.
«Teóricamente interactúa con la gravedad, pero no tiene nada que ver con las otras, la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte o la fuerza electromagnética», explica Sousa.
Sin embargo, ha resultado difícil combinar todos los datos experimentales en una imagen coherente. Algunos resultados parecen entrar en conflicto con otros, y las observaciones del universo temprano imponen límites estrictos a otros tipos de neutrinos. Esto ha llevado a los teóricos a considerar explicaciones más mundanas, desde fuerzas desconocidas hasta la desintegración de partículas y efectos cuánticos que aún no entendemos.
Para desentrañar estos misterios, los físicos están utilizando un arsenal de nuevos experimentos sofisticados. El más ambicioso es DUNE (Experimento de neutrinos subterráneos profundos) en Fermilab. Los equipos han excavado una cueva en una antigua mina de oro a 5.000 pies bajo tierra (hasta tal punto que solo se necesitan 10 minutos para llegar en ascensor) para albergar detectores de neutrinos masivos que están protegidos de los rayos cósmicos y la radiación de fondo.
«Con estos dos módulos detectores y el haz de neutrinos más potente podemos hacer mucha ciencia», afirma Sosa. “El hecho de estar en línea será muy emocionante. Sería el mejor experimento con neutrinos.
En Japón se está construyendo otro proyecto importante llamado Hyper-Kamiokande.
«Deberían dar resultados muy interesantes, especialmente cuando los combinas con Dan», señala Sosa. «Los dos experimentos combinados harán avanzar enormemente nuestro conocimiento».
Según una investigación publicada en Revista de Física de Física Nuclear y de Partículaslo que está en juego no podría ser mayor. Además de descubrir potencialmente nuevas partículas o fuerzas fundamentales, la investigación de neutrinos puede ayudar a explicar uno de los mayores misterios del universo: por qué hay más materia que antimateria cuando el Big Bang debería haber producido cantidades iguales de ambas. Este desequilibrio es la razón por la que existen las galaxias, los planetas y nosotros mismos.
La nueva hoja de ruta para la investigación de neutrinos representa un esfuerzo de colaboración sin precedentes, que reúne a más de 170 científicos de 118 instituciones de todo el mundo. Su visión ayudará a guiar las decisiones de financiación para estos proyectos potenciales a través del Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas del gobierno de EE. UU.
A medida que los investigadores profundizan en las profundidades de los descubrimientos durante la próxima década, estas partículas celestes continúan sorprendiéndonos y desconcertándonos, tanto como lo hicieron cuando Wolfgang Pauli propuso por primera vez su existencia en la década de 1930. Quizás pronto, gracias al poder combinado de la tecnología moderna y la colaboración científica global, el neutrino finalmente revele su naturaleza completa y nos ayude a comprender no sólo la pequeña escala de la física sino también los misterios más amplios de nuestra existencia cósmica.
resumen del articulo
método
El artículo revisa y analiza los resultados de varios experimentos con neutrinos utilizando diferentes técnicas de detección. Estos incluyen el detector de centelleo líquido, el detector Cherenkov de agua y la cámara de proyección del tiempo de argón líquido. Los experimentos observan neutrinos de diversas fuentes: aceleradores de partículas, reactores nucleares, fuentes radiactivas y rayos cósmicos. Al comparar las tasas de neutrinos observadas y los espectros de energía con predicciones teóricas, los científicos pueden buscar efectos inusuales que puedan indicar nueva física.
Resultados importantes
Muchos experimentos han observado anomalías que no se ajustan al marco estándar de tres neutrinos. Estos incluyen: exposición excesiva a neutrinos electrónicos en LSND (~3σ) y MiniBooNE (~4,8σ), un déficit de antineutrinos del reactor (~2,5σ) y un déficit (~5σ) en experimentos con fuentes de galio. Sin embargo, el análisis global muestra discrepancias entre diferentes conjuntos de datos al intentar explicarlos todos con un modelo simple de neutrinos estériles.
Limitaciones del estudio.
El artículo señala varias limitaciones importantes en la comprensión actual: incertidumbres en los modelos de interacción de neutrinos y efectos nucleares, desafíos para predecir con precisión los flujos de neutrinos en los reactores, limitaciones estadísticas en algunas mediciones e incertidumbres sistemáticas que son completamente difíciles de describir. Además, algunas técnicas experimentales no pueden distinguir entre electrones y fotones en sus detectores.
Discusión y sugerencias
Se recomienda a la comunidad que adopte varios enfoques empíricos complementarios manteniendo la mente abierta a posibles explicaciones. Esto incluye probar modelos específicos y realizar búsquedas más generales de efectos inusuales. Serán importantes mejores cálculos teóricos y técnicas analíticas. Los resultados podrían tener profundas implicaciones para la física de partículas y la cosmología.
Financiamiento y divulgación
El trabajo contó con el apoyo de varias agencias de financiación de todo el mundo, incluida la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., el Departamento de Energía, varias agencias de financiación europeas y organizaciones de investigación asiáticas. Los autores declaran no tener conflictos de intereses.