Nuevos datos de NOvA profundizan el misterio de la masa de la partícula subatómica

Los neutrinos son un tipo de partículas subatómicas. No lleva carga eléctrica, tiene una masa pequeña y es zurdo (un término físico que significa que la dirección de su rotación es opuesta a la dirección de su movimiento). Inunda el universo. Es la segunda partícula más abundante después de los fotones (partículas de luz) y la más abundante entre las partículas que componen la materia.

El estudio de los neutrinos es un área de gran interés entre los físicos de partículas y los astrofísicos. Estas partículas se producen cuando partículas llamadas leptones interactúan con la materia. Por ejemplo, cuando un tipo de leptón llamado muón interactúa con la materia, la interacción produce un muón-neutrino. Lo mismo se aplica a los electrones (electrón-neutrino) y tauones (tau-neutrino). Sin embargo, los propios neutrinos interactúan con la materia muy raramente para producir un muón, un electrón o un talón similar.

Esta pequeña velocidad de reacción hace que los neutrinos sean difíciles de estudiar. Por ejemplo, un muón-neutrino se dispersará de un núcleo atómico sólo una vez cada millón aproximadamente, creando un muón y un protón. Para estudiarlos, los físicos han construido detectores con capacidades de seguimiento extremadamente precisas. También son de gran tamaño para maximizar el número de interacciones entre los neutrinos y los detectores.

Nuevos datos de NOvA

Uno de esos experimentos es NovA, que significa «NuMI fuera del eje 𝜈»._mi La Manifestación, en Minnesota, EE.UU., crea un haz de neutrinos que vuela hacia un detector de 14.000 toneladas situado a 800 kilómetros de distancia. NOvA está gestionado por el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi.

Los científicos presentaron los últimos hallazgos del proyecto NOvA en una conferencia celebrada en Italia el 17 de junio. Dijeron que el proyecto logró recopilar el doble de datos que durante el proyecto anterior, hace cuatro años. Los nuevos resultados complementaron los resultados anteriores con mayor precisión.

El proyecto NOVA fue diseñado para determinar el papel de los neutrinos en la evolución del universo. El proyecto pretende lograrlo intentando comprender qué tipo de neutrino tiene mayor masa y cuál tipo tiene menor masa. Este es un detalle importante porque los neutrinos pueden obtener su masa mediante un mecanismo diferente al de otras partículas de materia. Descubrir estos detalles puede ayudarnos a responder muchas preguntas abiertas en física.

Para lograr este objetivo, el 11 de julio se llevó a cabo un estudio en el Gran Colisionador de Hadrones, también en Europa. La observación ha sido reportada Neutrinos electrónicos en colisiones de partículas por primera vez.

Bloquear sorpresa

Los físicos detectaron por primera vez neutrinos espaciales provenientes de una supernova en 1987, cuando explotó una estrella a unos 150.000 años luz de distancia. Tres horas antes de que la luz de la explosión llegara a la Tierra, tres detectores subterráneos en Japón, Rusia y Estados Unidos registraron un fuerte aumento en el número de neutrinos provenientes de la explosión. Este evento marcó el nacimiento de la astronomía de neutrinos.

Durante unos 50 años, los físicos pensaron que los neutrinos eran partículas sin masa, como los fotones. Según la teoría de la relatividad especial, una partícula masiva no puede viajar a la velocidad de la luz (en el vacío). Por lo tanto, la señal luminosa podría superar al neutrino y, visto en la dirección opuesta, parecería diestro, es decir, con sus direcciones de movimiento y giro alineadas entre sí. Sin embargo, los físicos nunca han descubierto neutrinos diestros, por lo que concluyen que los neutrinos no tienen masa.

Pero desde finales de la década de 1990, científicos de Japón y Canadá han encontrado evidencia que revierte esta opinión y demuestra que los neutrinos efectivamente tienen masa. Descubrieron que cuando los neutrinos viajan por el espacio, pueden cambiar de un tipo a otro, algo que las partículas sin masa no pueden hacer.

La teoría actual sobre cómo se comportan y tienen propiedades las partículas, llamada Modelo Estándar de física de partículas, no predice neutrinos masivos. Incorporarlo al modelo estándar requerirá cambios de gran alcance en los que los físicos todavía están trabajando.

Orden de los neutrinos

Por eso los físicos estudian cómo cambian los tipos de neutrinos (y sus homólogos de antimateria, los antineutrinos) a medida que viajan grandes distancias. Este fenómeno de la mecánica cuántica se llama oscilación de neutrinos. Por ejemplo, todos los neutrinos del Sol son neutrinos electrónicos, pero una gran parte de ellos recibimos en la Tierra en forma de neutrinos muónicos.

Los modelos teóricos predicen dos posibles soluciones al problema de la jerarquía de masas de neutrinos, que se denomina natural Y invertidoLa disposición natural sugiere que uno de los tres tipos es mucho más pesado y los otros dos tienen una masa comparablemente menor. En la disposición invertida, un tipo de neutrino es más ligero y los otros dos tienen una masa comparable más pesada.

Los nuevos datos de NOvA respaldan el orden natural, pero no de manera concluyente.

La solución al problema de la jerarquía está estrechamente relacionada con la evolución del universo. Su baja velocidad de reacción significa que los neutrinos son un excelente transmisor de información del pasado del universo, de fuentes como estrellas en explosión y agujeros negros. Hoy en día no podemos acceder a gran parte de esta información de ninguna otra manera. Se sabe que las supernovas liberan el 99% de su energía de radiación en una breve explosión de neutrinos de 10 segundos.

El estudio de estos neutrinos puede revelar cómo se propagan las ondas de luz o de radio resultantes de la explosión después de viajar una cierta distancia.

Los mejores portadores de información.

De hecho, dado que los neutrinos atraviesan la mayor parte de la materia sin tocarla, pueden transportar información a grandes distancias. Actualmente, los humanos utilizan ondas electromagnéticas para realizar esta tarea porque son más fáciles de transmitir y detectar. Pero en algunas situaciones, estas ondas no funcionan bien.

Por ejemplo, el agua de mar es opaca a la radiación electromagnética de longitud de onda más corta, lo que dificulta la transmisión de ondas de determinadas frecuencias a los submarinos. Por otro lado, los neutrinos podrían atravesar fácilmente 1.000 años luz (9.400 millones de millones de kilómetros) de plomo, por lo que el océano no sería un obstáculo.

Sólo necesitamos encontrar una manera de transmitir y capturar estas ondas, lo cual está relacionado con comprenderlas completamente. Si esto sucede, no sería descabellado decir que en unas pocas décadas podríamos sustituir las ondas electromagnéticas en los canales de comunicación por haces de neutrinos.

Ojos puestos en el mundo de los neutrinos

Dadas todas estas ventajas, los países más ricos en ciencia del mundo se apresuran a estudiar los neutrinos. Entre los experimentos que se están realizando en este sentido se encuentran: el Observatorio Super K3 en Japón; el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (en su nueva forma SNO+) en Canadá; el Observatorio Mini-Bonn, el Observatorio Micro-Bonn y el Observatorio NOAA en Estados Unidos; el Observatorio Double Choos en Francia; el Observatorio Subterráneo de Neutrinos de Jiangmen en China; Una experiencia de ópera en Suiza; y el Observatorio de Neutrinos Ice Cube en la Antártida.

El Observatorio Indio de Neutrinos, financiado por el Ministerio de Energía Atómica, debía instalarse en Tamil Nadu, pero actualmente se enfrenta a un futuro incierto debido a lagunas procesales y a la falta de apoyo político.

Así como más materia aumenta el número de interacciones con los neutrinos, una gran cantidad de experimentos aumenta las posibilidades de resolver la jerarquía de masas y otros problemas, y nos acerca a la imagen completa del universo.

Qudsia Ghani es profesora adjunta en el Departamento de Física del Government Degree College Patan, Baramulla.