Los resultados experimentales apuntan a la existencia de cinco tipos de neutrinos, tres activos y dos estériles

Los neutrinos son la segunda partícula más abundante del universo, tras los fotones, pero desconocemos su masa en reposo y si son idénticos o no a sus antipartículas. Hay al menos tres tipos diferentes de neutrinos, pero podría haber hasta cinco tipos, además del neutrino electrónico, el muónico y el tipo tau, podrían existir dos neutrinos estériles, como sugiere el análisis de todas las pruebas experimentales actuales sobre los neutrinos publicado por Kopp et al. publicado en Physical Review Letters. Los neutrinos estériles no interaccionan con el resto de la materia mediante la interacción, solo mediante la gravedad (de ahí el término estéril). La existencia de estos neutrinos tendría importantes consecuencias astrofísicas y cosmológicas. Nos lo cuenta William C. Louis, «Particle physics: Sterile neutrinos,» Nature 478: 328–329, 20 October 2011, que se hace eco de Joachim Kopp, Michele Maltoni, Thomas Schwetz, «Are There Sterile Neutrinos at the eV Scale?,» Phys. Rev. Lett. 107: 091801, 2011. Ya que está de moda hablar de neutrinos, en Nature han decidido hablar de neutrinos estériles en lugar de superlumínicos. Buena elección, sin lugar a dudas. 

Sabemos que hay tres familias de neutrinos que interaccionan débilmente gracias al estudio del bosón Z desarrollado en el colisionador LEP (Large Electron–Positron Collider) que funcionó en el CERN (cerca de Ginebra) en el mismo túnel del LHC. El colisionador LEP era una fábrica de bosones Z y estudió con precisión sus propiedades. Los bosones Z se pueden desintegrar en quarks y leptones, y su vida media depende del número de familias de neutrinos que existen; el análisis de los resultados experimentales indicó que había solo 3 familias de neutrinos. Louis no lo cuenta pero este resultado tiene varias hipótesis, entre ellas que los neutrinos tengan una masa menor que la mitad de la masa del bosón Z (los tres neutrinos que conocemos tienen una masa miles de millones de veces más pequeña). La existencia de neutrinos estériles, incluso de baja masa, no afecta a la vida media del bosón Z y es compatible con los resultados de LEP.

La detección de neutrinos estériles en los experimentos en la Tierra es casi imposible (si un neutrino interacciona poco con la materia y es muy difícil de detectar, un neutrino estéril es incluso aún más difícil). Las pruebas de la existencia de neutrinos estériles deben venir a partir de sus efectos gravitatorios en la formación de galaxias y en la evolución del universo. El problema es que este tipo de estudios requiere asumir un modelo (son estudios que dependen del modelo), luego es posible encontrar una explicación alternativa sin neutrinos estériles.

La vía más prometedora para detectar los neutrinos estériles es aprovechar la oscilación entre neutrinos, la transmutación de la identidad (tipo) de un neutrino en otro. Este proceso ocurre porque los estados cuánticos a alta energía (estados sin masa) y a baja energía (estados masivos) no coinciden y están relacionados por una combinación lineal (mediante una matriz unitaria). El caso más sencillo es la mezcla de solo dos estados de neutrinos, por ejemplo, los neutrinos electrónicos y los muónicos. La probabilidad (P) de que un neutrino muónico (νμ) oscile en uno electrónico (νe) está dada por P(νμνe) = sin2(2θ) sin2(1,27Δm2L/E), donde θ, medido en radianes, describe (con un ángulo) la mezcla entre el neutrino muónico y el electrónico; Δm2 es la diferencia entre las masas al cuadrado de ambos neutrinos, mediada en eV2 (electrónvoltios al cuadrado); L es la distancia recorrida por el neutrino muónico, medida en km; y E es la energía del neutrino muónico, medida en GeV (gigaelectrónvoltios). Si hay tres neutrinos masivos mezclados habrá tres parámetros para cada una de sus masas y dos valores Δm2 diferentes, pero si hubiera cinco neutrinos masivos, además de las cinco masas habría cuatro valores Δm2 diferentes. ¿Cuántos valores diferentes de las diferencias Δm2 se han observado en los experimentos?

Las oscilaciones de los neutrinos que nos llegan del Sol y de reactores nucleares indican que Δm2 ≅ 7 × 10−5 eV2. Los neutrinos atmosféricos y los de alta energía producidos en aceleradores de partículas medidos en distancias grandes indican que Δm2 ≅ 2 × 10−3 eV2. Sin embargo, los producidos en aceleradores de partículas pero medidos en distancias cortas apuntan a un valor Δm2  ≅ 1 eV2. Tres valores diferentes no pueden ser explicados con solo tres tipos de neutrinos, tendrían que existir al menos cuatro tipos de neutrinos. Kopp et al. han ajustado estos datos experimentales a modelos teóricos con cuatro (3+1, tres neutrinos activos y uno estéril) y cinco (3+2, tres activos y dos estériles). Su estudio indica que no basta con un solo neutrino estéril, el mejor ajuste de los datos experimentales requiere dos neutrinos estériles. Los cinco tipos de neutrinos masivos ν1, ν2, ν3, ν4, y ν5, serían combinaciones (mezclas) de los tres neutrinos activos y dos neutrinos estériles. En la figura que abre esta entrada se ha dibujado en gris, azul y rojo la proporción en cada neutrino masivo de las componentes electrónica, muónica y tipo tau, y en amarillo y blanco las proporciones de neutrinos estériles. Resultados similares a los de Kopp et al. han sido obtenidos por un buen número de artículos previos (aunque con mejor confianza estadística en sus ajustes).

Un modelo 3+2 para los neutrinos tiene varias ventajas teóricas, destacando que permite la violación de la simetría CP (carga-paridad) en los leptones. Esta simetría afirma que las partículas y las antipartículas se comportan como la imagen en un espejo unas de otras. La violación de esta simetría implicaría la existencia de diferencias entre la oscilación de los neutrinos y la oscilación de los antineutrinos. Además, esta violación de la simetría CP podría ser suficiente para explicar la asimetría entre materia y antimateria en el universo.

¿Significa todo esto que los neutrinos estériles existen? No cantemos victoria tan pronto, todavía no podemos  afirmar nada al respecto con rotundidad. Hay que tener en cuenta que algunos experimentos que estudian la oscilación de los neutrinos miden la desaparición de los neutrinos y otros su aparición. Quizás hay alguna diferencia. Por otro lado, los datos cosmológicos apuntan a que la masa total de los neutrinos está entre 0,7 y 1,5 eV, mientras que el mejor ajuste de Kopp y sus colegas ofrece un valor de 1,7 eV. Además, los datos del fondo cósmico de microondas obtenidos por WMAP 7 indican que hay entre 3 y 4 tipos diferentes de neutrinos, descartando la posibilidad de que haya 5 como muy poco probable.

La física de los neutrinos está en la frontera de nuestro conocimiento y hay muchos experimentos en curso (y en construcción9 que obtendrán resultados que nos permitirán conocer mejor esta frontera. Si los neutrinos estériles existen tendrán un gran impacto en la física nuclear, la física de partículas, la astrofísica y la cosmología. Como acaba su artículo Louis, es irónico que unas partículas que interaccionan tan débilmente con el resto puedan afectar tanto al universo en su conjunto.

PS: Transparencias de una charla reciente de Joachim Kopp, «Phenomenology with sterile neutrinos,» IDS-NF Plenary Meeting, Arlington, VA, Oct 17–19, 2011.

9 comentarios en “Los resultados experimentales apuntan a la existencia de cinco tipos de neutrinos, tres activos y dos estériles

  1. Hola Francis,
    justamente vengo llegando (hace pocas horas) de una conferencia de neutrinos a la que me invitó Kopp. Hablamos mucho de neutrinos estériles, un tema muy de moda en estos días, sin embargo le plantée una duda muy seria al respecto que he tenido hace tiempo: si hay neutrinos estériles con Δm² ~ 1 eV² entonces señales importantes de oscillaciones se habrían observado en el viejo experimento BNL E-776, y ellos reportan que nada fue observado (Phys. Rev. Lett. 68, 274, 1992). Dada la gran cantidad de gente trabajando en neutrinos estériles participando en esta conferencia lancé la pregunta y nadie tuvo respuesta, muchos ni siquiera sabían de ese experimento.
    La idea de los neutrinos estériles ganó fuerza hace unos de 10 años con la anomalía LSND, luego con la anomalía en MiniBooNE se revivió en 2010 y a principios de este año apareció la anomalía en reactores, todas indican que los neutrinos estériles podrían ser una solución posible. Como nos cuentas en tu artículo, ha sido demostrado que los modelos 3+1 no son consistentes. Los modelos 3+2 tienen ventajas, en particular violación CP que permite ajustar mejor los datos (porque las probabilidades cambian de neutrinos a antineutrinos), sin embargo la combinación de todos los resultados experimentales muestran que incluso los modelos 3+2 no son muy favorecidos por los datos. Para detalles sobre esta última afirmación te recomiendo el breve y reciente resúmen de Karagiorgi, experta en neutrinos estériles (arXiv:1110.3735).
    Además algo que nunca se menciona es que la anomalía observada en MiniBooNE en 2007 (el llamado «MiniBooNE low-energy excess») no puede explicado con neutrinos estériles. Además otra propiedad de los neutrinos estériles que me hace produce malestar es la graaaan cantidad de nuevos parámetros que deben ser introducidos. Cuando se trata de neutrinos estériles nadie se acuerda de la navaja de Occam. Quizás es simplemente un bias personal, ya que a fines de 2010 propuse un modelo alternativo de neutrinos basado en el rompimiento de la simetría de Lorentz que es consistente con todos los datos establecidos (aceleradores, atmosféricos, reactores y neutrinos solares) y además reproduce el MiniBooNE low-energy excess de manera natural usando sólo los tres sabores de neutrinos activos y sólo 3 parámetros. Presenté mi idea ayer en esta conferencia y a mucha gente le gustó la simplicidad del modelo que no requiere decenas de parámetros ni neutrinos estériles. Acá están las slides por si te interesa: http://is.gd/BZDq19
    Un saludo.

    • Gracias, Stanley, por tus comentarios.

      Tu charla (Jorge S. Díaz (Indiana University), «Lorentz violation at the Neutrino Factory«) es muy interesante. Los modelos SME son muy interesantes, aunque te confieso que soy de los que no creen en las violaciones de la simetría de Lorentz y CPT; hasta que un experimento lo confirme de forma definitiva, soy escéptico. Pero tu modelo SME aplicado a la física de los neutrinos tiene muy buena pinta.

      En la física de los neutrinos yo tengo la esperanza de que en marzo de 2012 los primeros datos de Planck muestren alguna sorpresa cosmológica. Ya veremos.

      Extractos de la charla de Stanley para animaros a descargarla y ojearla.

      «All established neutrino oscillation results can be explained by Lorentz violation using only three parameters.

      Standard-Model Extension = Standard Model coupled to Gravity + all possible Lorentz violations (Alan Kostelecky, «Gravity, Lorentz Violation, and the Standard Model,» ArXiv, 23 Mar 2004; Physical Review D).

      The Puma Model: To my knowledge no other existing model is consistent with all compelling data and the anomalies with 6 parameters. The puma is an economical model…»

      • Gracias Francis por la publicidad a mi charla y por los «highlights» de la misma.
        Igual que tú, soy escéptico cuando se trata de ideas muy exóticas, como violaciones de la simetría de Lorentz y CPT, sin embargo debo admitir que no me gusta sacar conclusiones basadas en «vacas sagradas» como algún lo fueron las simetría C, P o CP.
        El mensaje principal de esa sección de la charla es que una descripción de todos los resultados experimentales puede hacerse de manera simple y con un mínimo número de parámetros. Por ahora el modelo puma es presentado como una alternativa al modelo de neutrinos masivos que funciona mucho mejor y es más simple. Además hace predicciones verificables en el futuro próximo. Una de ellas es consistente con los últimos resultados de MINOS y T2K.
        Además debería agregar que en el contexto del SME, neutrinos superlumínicos aparecen de manera natural, sin violaciones de causalidad ni problemas que aparecen con otras hipótesis.
        Saludos.

  2. Estaba yo pensando, Francis, que la no es que «La vía más prometedora para detectar los neutrinos estériles es aprovechar la oscilación entre neutrinos», sino que esa es la única razón por las que a esas partículas se las puede llamar «neutrinos»: no tienen número leptónico (no interaccionan por débil), ni ninguna otra razón para ser considerados tales.

  3. Gracias Francis por relatar esta noticia, es muy interesante. Pero tengo que volver a ser el Pepito grillo, Expresiones como ¿»toda la evidencia actual»? parece un tanto radical, sobre todo si tenemos en cuenta la definición del DRAE sobre evidencia:

    «Certeza clara y manifiesta de la que no se puede dudar. La evidencia de la derrota lo dejó aturdido».

    Ya sé que me repito.

    Tampoco hay «rango» que no sea el de un matriz (o el de los militares) ni otros anglicismos absurdos. Aunque siempre se pude poner en inglés y cursiva, ya que en ciencia a veces no queda otro remedio.

    Saludos

    • Como es evidente, siempre caigo en la trampa de la evidencia. Por cierto ¿rango? no he utilizado dicha palabra, creo. Es broma, es solo un ejemplo. Gracias.

  4. Los neutrinos esteriles se mostraran con mayor amplitud en la alternancia de los
    universos paralelos en los instantes de su intercambio.

  5. Tarde, pero seguro, cada dia que pasa aprendo algo de los neutrinos, de los neutrinos estèriles habia leido algo al respecto, pero esto que nos informa el amigo Francis sobre ciertas caracterìsticas de este tipo de neutrinos es muy importante y deja a uno sumergido en ese fabuloso mundo. Con los neutrinos y antineutrinos siempre cave la psoibilidad de encontrarnos con la violaciòn CP, nos seguimos leyendo.

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