El modelo estándar mínimo con neutrinos masivos (nuMSM)

Dibujo20130722 SM vs nuMSM - neutrino minimal standard model

Sabemos que los neutrinos tienen masa. Los neutrinos pueden ser partículas de Dirac, de Majorana o una mezcla de ambos tipos. La manera más sencilla de extender el modelo estándar (SM) para tener en cuenta esta última posibilidad se denomina modelo estándar mínimo con neutrinos (nuMSM). Esta teoría implica la existencia de neutrinos estériles, que si fueran ligeros (de unos 10 KeV de masa) podrían ser candidatos a materia oscura y resolver la mayoría de los problemas actuales de la física de partículas. El modelo nuMSMS es estable incluso con un Higgs a 125 GeV y podría ser válido hasta la escala de energías de Planck; además, implica que el LHC no encontrará nueva física, ni se observarán desviaciones respecto al modelo cosmológico ΛCDM. En relación a la gravedad, se trata de una teoría asintóticamente segura (“asymptotically safe”). Nos lo han contado Oleg Ruchayskiy, “Cosmology and Particle Physics after Higgs,” EPS HEP 2013, July 19, 2013 [slides], y Oliviero Cremonesi, “Neutrino masses,” EPS HEP 2013, July 23, 2013 [slides]. Más información técnica detallada en K. N. Abazajian et al., “Light Sterile Neutrinos: A White Paper,” arXiv:1204.5379, 18 Apr 2012.

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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.

La anomalía LSND que apuntaba hacia neutrinos estériles es un error sistemático en el análisis del fondo de piones

No lo he visto con mis propios ojos así que tengo que hablar por los ojos de otro. Un póster en la sesión de pósteres del ICHEP 2010 afirma que la anomalía LSND es debida a un error sistemático en el análisis de los datos. El ruido de fondo se subestimó en un factor de 2. El Poster #588 de la Colaboración Harp presenta los últimos resultados que se han obtenido sobre el fondo de piones en los rayos cósmicos. Han observado una asimetría entre la producción de mesones pi+ y pi-. El análisis de los datos de LSND no había tenido en cuenta esta asimetría, según este póster, lo que subestima por un factor de 2 los errores sistemáticos. Si se tiene en cuenta este nuevo resultado, desaparece la anomalía del LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) en LANL (Los Alamos National Laboratory) que apuntaba hacia la existencia de neutrinos estériles (una cuarta familia de neutrinos que no interactúa mediante la fuerza débil). ¿Cómo afecta este nuevo resultado al exceso observado en MiniBoone? Habrá que esperar algunas semanas a que dicho análisis sea realizado. Nos lo ha contado Mu-Chun Chen, “Highlights of my Day One at ICHEP,” Blogging ICHEP 2010, 23 July 2010. Habrá que estar al loro para confirmar este resultado en un paper que pueda leer con mis propios ojos.