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Los nuevos resultados de MiniBooNE, por los que existirían los neutrinos estériles, posiblemente se deban a algún error.

Según el Modelo Estándar de Partículas hay tres tipos de neutrinos emparejados cada uno de ellos al electrón, al muón y al tau. Estos neutrinos están asociados a la fuerza nuclear débil y se suelen producir en desintegraciones.

El Sol no explota como una bomba de hidrógeno porque la fusión nuclear en el Sol depende de la presencia de determinados isótopos que normalmente no están y que son sintetizados en determinadas reacciones mediadas por la fuerza nuclear débil. Si tenemos dos deuterios es fácil conseguir helio por fusión y se desprende gran cantidad de energía. Hay varios isótopos de elementos ligeros que se pueden usar en este tipo de reacciones y son bien conocidos por los fabricantes de bombas nucleares. Pero en el Sol hay principalmente hidrógeno simple cuyo núcleo, un protón, debe transformarse algunas veces en un neutrón para poder tener esos isótopos para esa fusión nuclear. Esta desintegración lleva su tiempo (por eso no hay explosión total del Sol) y es mediada por la fuerza nuclear débil. Se genera un antineutrino electrónico y un electrón. En estas reacciones del Sol sólo se producen antineutrinos electrónicos.

Estos antineutrinos electrónicos abandonan el Sol y algunos llegan a la Tierra. Cuando se instalaron los primeros detectores de neutrinos se comprobó que se medían menos antineutrinos electrónicos que los que se debería según la energía producida por el Sol, que es una energía que debe ser reflejo de las reacciones de fusión y, por tanto, de la la formación de neutrones. Una solución a esta paradoja es que las reacciones de fusión del Sol fueran a una menor tasa ahora, pero como el Sol tarda en enfriarse todavía no lo notaríamos. Esto dio incluso para alguna novela de ficción científica.

La solución a la paradoja fue la existencia de la oscilación de sabor de los neutrinos, que empezó a comprobarse experimentalmente a partir de 1998. Tanto dentro del Sol como en ese viaje hacia la Tierra, estas partículas van cambiando de sabor, de electrónico a muónico o a tau. Como sólo se medía de tipo electrónico, se registraba sólo una fracción de los neutrinos originales generados en el Sol.

La oscilación se debe a que los neutrinos tienen masa intrínseca (muy pequeña) y es un proceso lento, por lo que se necesita una gran distancia a la fuente para observala, pues estos neutrinos se mueven a velocidades relativistas. También, dentro del Sol, al ser un medio muy denso, muchos de los neutrinos cambian de sabor y se quedan por el camino al interaccionar. Digamos que el ritmo de oscilación entre sabores es más rápido en la materia densa que en el vacío, por lo que no sale del Sol la misma composición de sabores que se genera en el núcleo.

Desde el punto de vista técnico y usando lenguaje de la Mecánica Cuántica, lo que se tiene siempre es un estado mezcla, que se escribe con una matriz, en el que están representados todos los sabores y, cuando medimos, colapsamos a uno de esos estados de sabor en concreto con cierta probabilidad. Lo que «oscila» es la probabilidad de que se detecte un tipo u otro de sabor. Aunque lo más fácil experimentalmente es detectar neutrinos electrónicos, por que sólo se detectan de ese tipo o sabor generalmente.

Desde el punto de vista teórico no sabemos si los neutrinos son partículas de Majorana o de Dirac y encima no se sabe aún cómo incorporar de forma definitiva la masa de los neutrinos, que, al parecer, es muy pequeña. Hay experimentos que podrían dilucidar en el futuro qué tipo de partículas son.

Los neutrinos conocidos son levógiros (a izquierda) y tienen hipercarga débil por lo que están acoplados al bozón Z. En toda la historia de la Física de Partículas sólo se han observado estados levógiros de neutrinos o antineutrinos dextrógiros, nada más.

A los físicos de partículas les encantan la simetrías. Si los neutrinos fuesen fermiones de Dirac, tal y como son los electrones, entonces los físicos proponen que existirán, además, tres neutrinos dextrógiros (a derechas) estériles. Partículas estas que no tendrían hipercarga débil por no estar acoplados al bosón Z. Además, la interacción débil sólo ve la interacción a izquierda, pero no a derechas. Es decir, los neutrinos estériles no tendrían manera de interaccionar con el resto de las partículas y, por tanto, no podrían ser detectados directamente.

Por un sistema de balancín, estos neutrinos estériles podrían tener masas gigantescas, por lo que, si fueran abundantes, podrían explicar la naturaleza de la materia oscura.

Supongamos que no es así y que su masa no es tan elevada, sino similar a la de los neutrinos levógiros. Entonces, en el estado mezcla de los neutrinos habría que incorporar los tres estados dextrógiros. Eso significa que los neutrinos oscilarían entre todos esos sabores con cierta probabilidad y que algunos de los levógiros oscilarían hacia sabores estériles.

En las últimas décadas se han detectado resultados experimentales un poco extraños. Una explicación sería la existencia de neutrinos estériles de baja masa.

Si los neutrinos estériles de baja masa existen, entonces se podía tratar de inferir su existencia si se deja viajar a un chorro de neutrinos levógiros durante una distancia no astronómica y esperar a que oscilen hacia neutrinos estériles. Sólo se necesita una fuente de neutrinos (un colisionador o una reactor nuclear) y un detector de neutrinos.

Lo malo de esto es que unos experimentos dicen obtener resultados compatibles con la existencia de neutrinos estériles y otros no. Recordemos que no podemos detectar neutrinos estériles directamente, así que hay que inferir su existencia indirectamente, por ejemplo, a través de «lo que falta o sobra» de lo esperado. Esto se mediría, a una determinada distancia a donde han sido generados como una diferencia entre los neutrinos levógiros tradicionales medidos respecto a lo esperados, tanto por exceso como por defecto. Lo malo es que no se sabe el ritmo de cambio hacia esos sabores y, por tanto, no se sabe la distancia adecuada a la que deberíamos medir el fenómeno.

Ahora los miembros del equipo MiniBooNE del Fermilab dicen haber encontrado resultados compatibles con la existencia de neutrinos estériles. Ya en el pasado se había afirmado la existencia de estas partículas para luego desmentirse, así que puede ser que ahora pase lo mismo con los resultados de MiniBooNE o Mini Booster Neutrino Experiment (en la foto), por lo que hay que ser muy cautos.

Hace unos años, en Los Álamos y usando el detector LSND observó un exceso de neutrinos, lo contrario a lo esperado. En este caso el detector estaba situado a una distancia de 30 metros de la fuente. Esto era compatible con la existencia de neutrinos estériles. Así que se construyó un nuevo detector: MiniBooNE. La idea era confirmar o negar la señal de LSND.

MiniBooNE se construyó en el Fermilab y está situado a 541 metros de distancia a la fuente. La fuente del Fermilab es un acelerador de protones que hace blanco sobre un bloque de berilio. En el impacto se producen piones y kaones que se desintegran en muones y neutrinos muónicos. Al final se tiene un haz de neutrinos muónicos de alta energía.

Los primeros datos de MiniBooNE descartaban la señal observada por LSND, pero resulta que ahora sí encuentran la misma señal, lo que es un tanto contradictorio. Una explicación a este resultado es que parte del equipo de investigadores de MiniBooNE también pertenecía a LSND, así que podría haber un sesgo cognitivo por el uso de las mismas técnicas de análisis.

El exceso de neutrinos electrónicos que se ven a baja energía (0,2 GeV), aunque esta energía es relativamente alta respecto a la de los neutrinos solares (más de 100 veces).

Si asumimos que el resultado es cierto y, como tiene más de 6 sigmas de significación estadística (combinando datos de LSND y MiniBooNE), entonces el resultado podría deberse a los neutrinos estériles que, insistimos, no se detectan directamente. Los neutrinos muónicos oscilarían hacia estériles y estos a electrónicos que serían los detectados en exceso sobre los esperables por las oscilaciones estándar.

Según lo medido, estos neutrinos estériles oscilarían bastante y, por tanto, tendrían masas relativamente grande, del orden del eV, muy por encima de los neutrinos habituales. Pero si esto es así, entonces es extraño que no se hayan encontrado pruebas de ello en otros experimentos.

Lo que es peor, también es incompatible con las condiciones cosmológicas primigenias del Universo que son reflejadas por el Fondo Cósmico de Microondas, ya que otras especies de neutrinos (calientes) dejarían una huella clara que no se observa en los datos de la misión Planck.

La mejor explicación es que haya algún tipo de error que finalmente aclare el resultado sin necesidad de invocar neutrinos estériles. El tiempo lo dirá y posiblemente sea un caso similar a los neutrinos superlumínicos. Pero, al menos, nos ha servido para repasar un poco la física de este tipo de partículas.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Foto: Reidar Hahn/FermiLab.