Neutrino estéril, fundamentos de la física entre interpretaciones de resultados anómalos.

Nuevos resultados científicos confirman una anomalía observada en experimentos anteriores, que puede apuntar a una nueva partícula elemental aún no confirmada, el neutrino estéril, o indicar la necesidad de una nueva interpretación de un aspecto de física del modelo estándar, como la sección transversal de neutrinos, medida por primera vez hace 60 años. El Laboratorio Nacional de Los Álamos es la principal institución estadounidense que colabora en el experimento Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST), cuyos resultados se publicaron recientemente en las revistas Cartas de revisión física y Revisión física C.

«Los resultados son muy emocionantes», dijo Steve Elliott, analista principal de uno de los equipos que evalúan los datos y miembro de la división de Física de Los Álamos. “Esto definitivamente reafirma la anomalía que hemos visto en experimentos anteriores. Pero lo que eso significa no es obvio. Ahora hay resultados contradictorios sobre neutrinos estériles. Si los resultados indican que la física nuclear o atómica fundamental no se comprende bien, eso también sería muy interesante”. Otros miembros del equipo de Los Álamos incluyen a Ralph Massarczyk e Inwook Kim.

Ubicado en lo profundo del Observatorio de Neutrinos Baksan en las montañas del Cáucaso de Rusia, el objetivo de galio de dos zonas completado, a la izquierda, contiene un tanque interno y externo de galio, que es irradiado por una fuente de neutrinos electrónicos. Crédito: AA Shikhin

Más de una milla bajo tierra en el Observatorio de Neutrinos Baksan en las montañas del Cáucaso de Rusia, BEST utilizó 26 discos irradiados de cromo 51, un radioisótopo sintético de cromo, y la fuente de neutrinos electrónicos de 3,4 megacurios, para irradiar un tanque interno y galio externo, un plateado, metal también utilizado en experimentos anteriores, aunque anteriormente en una configuración de un solo tanque. La reacción entre los neutrinos electrónicos de cromo 51 y el galio produce el isótopo germanio 71.

La tasa de producción medida de germanio 71 fue un 20-24 % más baja de lo esperado según el modelo teórico. Esta discrepancia está de acuerdo con la anomalía observada en experimentos anteriores.

BEST se basa en un experimento de neutrinos solares, el Experimento de galio soviético-estadounidense (SAGE), en el que el Laboratorio Nacional de Los Álamos fue un importante contribuyente, a partir de fines de la década de 1980. Este experimento también utilizó fuentes de galio y neutrinos de alta intensidad. Los resultados de este experimento y otros indicaron un déficit de neutrinos electrónicos, una discrepancia entre los resultados previstos y los reales que se conoció como la «anomalía del galio». Una interpretación del déficit puede ser la evidencia de oscilaciones entre los estados del neutrino electrónico y del neutrino estéril.

Un conjunto de 26 discos de cromo 51 irradiados son la fuente de neutrinos electrónicos que reaccionan con el galio y producen germanio 71 a velocidades que pueden medirse frente a las velocidades predichas. Crédito: AA Shikhin

La misma anomalía se repitió en el experimento BEST. Las posibles explicaciones incluyen nuevamente la oscilación en un neutrino estéril. La partícula hipotética podría constituir una parte importante de la materia oscura, una forma prospectiva de materia que se cree que constituye la gran mayoría del universo físico. Sin embargo, esta interpretación puede necesitar más pruebas, porque la medida de cada tanque fue aproximadamente la misma, aunque más pequeña de lo esperado.

Otras explicaciones de la anomalía incluyen la posibilidad de un malentendido en las entradas teóricas del experimento: que la física en sí misma requiere una revisión. Elliott señala que la sección eficaz del neutrino electrónico nunca se ha medido a estas energías. Por ejemplo, una entrada teórica para medir la sección transversal, que es difícil de confirmar, es la densidad de electrones en el núcleo atómico.

La metodología del experimento se revisó minuciosamente para garantizar que no se cometieran errores en aspectos de la investigación, como la ubicación de la fuente de radiación o las operaciones del sistema de conteo. Las iteraciones futuras del experimento, si se realizan, pueden incluir una fuente de radiación diferente con mayor energía, vida media más larga y sensibilidad a longitudes de onda de oscilación más cortas.

Referencias:

«Resultados del experimento Baksan sobre transiciones estériles (BEST)» por VV Barinov et al., 9 de junio de 2022, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.232501

«Búsqueda de transiciones de electrones y neutrinos a estados estériles en el experimento BEST» por VV Barinov et al., 9 de junio de 2022, Revisión física C.
DOI: 10.1103/PhysRevC.105.065502

Financiamiento: Departamento de Energía, Oficina de Ciencias, Oficina de Física Nuclear.