Francis en @TrendingCiencia: La velocidad de los neutrinos y el experimento MINOS

Mi nuevo podcast sobre física para Trending Ciencia ya está disponible, sigue este enlace para escucharlo. El tema es la medida la velocidad de los neutrinos y en concreto de las medidas obtenidas por el experimento MINOS en 2007 y 2012. Muchos recordarán la medida obtenida por OPERA en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso en septiembre de 2011 que afirmó que los neutrinos muónicos eran superlumínicos. Al final se descubrió la existencia de un error sistemático, cuya corrección permitía salvar todos los datos ya recabados, pero además se logró financiación para realizar nuevos experimentos en Gran Sasso. MINOS (en EEUU) y T2K (Tokai to Kamioka, en Japón) también consiguieron financiación para hacer lo propio. Un resultado overhype (sobrevalorado) permite recabar financiación para investigar en temas muy interesantes.

En mi blog recomiendo leer «No hay mal (para OPERA) que por bien no venga (para MINOS),» 25 Abr 2012, «Con los GPS en el frigorífico para medir la velocidad de los neutrinos en MINOS,» 14 Jun 2012, » y «MINOS mide la velocidad de los neutrinos muónicos,» 12 Abr 2013. También recomiendo «La medida correcta de la velocidad de los neutrinos de OPERA en 2011 y los nuevos resultados de 2012,» 8 Jun 2012.

Los interesados en artículos técnicos disfrutarán con P. Adamson, «Neutrino Velocity: Results and prospects of experiments at beamlines other than CNGS,» Nuclear Physics B, Proceedings Supplements 235–236: 296–300, Feb–Mar 2013 [free pdf], y P. Adamson et al., «Measurement of the Velocity of the Neutrino with MINOS,» FERMILAB-CONF-12-666-AD, 15 Mar 2012. Además de Floyd W. Stecker, «Constraining Superluminal Electron and Neutrino Velocities using the 2010 Crab Nebula Flare and the IceCube PeV Neutrino Events,» arXiv:1306.6095 [hep-ph], 25 Jun 2013.

Para los interesados en otros artículos citados en el podcast: J. Alspector et al., «Experimental Comparison of Neutrino and Muon Velocities,» Phys. Rev. Lett. 36: 837–840, 1976; MINOS Collaboration, «A Search for Lorentz Invariance and CPT Violation with the MINOS Far Detector,» Phys. Rev. Lett. 105: 151601, 2010, arXiv:1007.2791 [hep-ex]; MINOS Collaboration, «Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam,» Phys.Rev. D 76: 072005, 2007, arXiv:0706.0437 [hep-ex].

El modelo estándar mínimo con neutrinos masivos (nuMSM)

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.

El nuevo resultado del experimento japonés T2K sobre los neutrinos

El experimento japonés T2K (Tokai to Kamioka) estudia la oscilación de neutrinos muónicos en electrónicos en modo aparición, usando un haz de neutrinos generado en el laboratorio J-PARC en Tokai que es dirigido hacia el detector Super-Kamiokande situado a 295 km de distancia. T2K ha confirmado a 7,5 sigmas que el parámetro θ13 tiene un valor distinto de cero (θ13>0). Recordarás que en 2012 fue noticia que los experimentos Daya Bay, RENO y Double Chooz confirmaron a más de 5 σ que θ13>0, pero lo hicieron en modo desaparición con la oscilación de antineutrinos electrónicos en antineutrinos muónicos. La novedad es la observación en modo aparición; ya había indicios indirectos en 1999, pero las primeras señales fueron obtenidas en 2011 por MINOS que obtuvo indicios a 1,7 σ y por el propio T2K que los obtuvo a 2,5 σ, resultado que alcanzó 3,1 σ  en 2012 (pero aún lejos de un descubrimiento, que requiere superar las 5 σ). Ahora T2K logra superar las 5 σ y puede proclamar por derecho propio un descubrimiento (aunque de carácter menor, ya que quien pasará a los libros de historia como el primero en demostrar que θ13>0 será el experimento chino Daya Bay). Más información en Jorge Díaz, «Experimento T2K descubre nueva oscilación de neutrinos,» Conexión Causal, julio 19, 2013. Nos lo ha contado Atsuko K. Ichikawa (Univ. Kyoto, Japón), «Neutrino mixing: Results from accelerator experiments,» Slides, EPS-HEP’13, 23 Julio 2013.

Steven Weinberg nos explica por qué Planck observa 3,39 especies de «neutrinos»

El número de especies de neutrinos (partículas ultrarrelativistas) según las medidas cosmológicas y del fondo cósmico de microondas es un número fraccionario entre 3 y 4. Parece obvio que o bien hay 3 tipos de neutrinos, o bien hay 4, pero no puede haber 3,39 tipos. El Premio Nobel de Física Steven Weinberg propone en Physical Review Letters que la existencia de bosones de Goldstone sin masa podría contribuir con un factor 0,39. Una bonita idea para hoy, el día que el bosón de Higgs cumple un año de edad. El campo de Higgs presenta dos tipos de partículas, los bosones de Higgs y los bosones de Goldstone, pero estos últimos no son partículas como tales, no son observables, pues se acoplan a las partículas W y Z. Para que existieran bosones de Goldstone observables como partículas tendría que existir, al menos, una simetría U(1) adicional en el modelo estándar. Weinberg nos propone esta idea tan especulativa y realiza los cálculos en su nuevo artículo. Por supuesto, no es el único en proponer este tipo de idea, pues muchos otros físicos han realizado propuestas similares (la existencia de partículas ultrarrelativistas con masa nula o casi nula que interaccionan tan débilmente con el resto del modelo estándar que su contribución cosmológica sería fraccionaria). Pero por supuesto, la idea ha aparecido en varios medios al ser ofrecida por un famoso Premio Nobel. Además, qué mejor manera de celebrar el descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC hace un año que con un artículo de Steven Weinberg, el primero en incorporar el campo de Higgs en el modelo estándar. El artículo técnico es Steven Weinberg, «Goldstone Bosons as Fractional Cosmic Neutrinos,» Phys. Rev. Lett. 110: 241301, 10 Jun 2013 [arXiv:1305.1971]. Recomiendo leer a Lisa Grossman, «Is missing ‘partial’ neutrino a boson in disguise?,» New Scientist, 27 Jun 2013.

La suma de la masa de los neutrinos según los últimos datos cosmológicos

Uno de los resultados más esperados sobre el fondo cósmico de microondas (CMB) observado por el telescopio espacial Planck de la ESA era una cota inferior a la suma de la masa de todos los neutrinos (en realidad, de todas las partículas ligeras ultrarrelativistas). Por desgracia, los datos de Planck no son suficientes para obtenerla. Ni siquiera la combinación de Planck con otros estudios cosmológicos (BAO, WiggleZ, HST) permite obtener una cota inferior. Un nuevo artículo que combina Planck+BAO+WiggleZ nos da como cota superior Σm_ν < 0,15 eV (al 95% C.L.); combinando Planck+BAO+WiggleZ+HST se obtiene Σm_ν < 0,14 eV, pero esta cota es menos fiable por la tensión entre Planck y HST respecto a la constante de Hubble. Estas cotas se han obtenido suponiendo que sólo hay 3 «sabores» de neutrinos. Si no se fija el número de «sabores» de neutrinos, los datos combinados Planck+WiggleZ+BAO indican que hay N_eff = 3,9 ± 0,34 tipos de neutrinos (es decir, apuntan a la existencia un neutrino estéril aún no observado), pero entonces el límite superior para la suma de sus masas es de Σm_ν < 0,24 eV. El artículo técnico es Signe Riemer-Sørensen, David Parkinson, Tamara M. Davis, «Combining Planck with Large Scale Structure gives strong neutrino mass constraint,» arXiv:1306.4153, 18 Jun 2013.

Cuando ojeé arXiv no le presté atención a este artículo, pero volvió a despertar mi interés gracias a un tuit de Amarashiki (@riemannium, autor del blog «The Spectrum of Riemannium«): «Neutrino mass sum bounded from below and above!!! More details here!!! http://arxiv.org/abs/1306.4153.» Me sorprendió mucho su entusiasmo, pues el nuevo artículo no calcula ninguna cota inferior para la suma de las masas de los neutrinos, todo lo contrario, toma dicha cota de los resultados de los experimentos de oscilación de neutrinos, que apoyan un límite inferior de Σm_ν > 0,05 eV (al 95% CL), y cita como fuente un artículo de 1998 (The Super-Kamiokande Collaboration, «Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos,» Phys. Rev. Lett. 81: 1562-1567, 1998 [arXiv:hep-ex/9807003]) y el Particle Data Group. Me parece que mi amigo Amarashiki ha caído en la «trampa del abstract» (leer el resumen de un artículo sin leer su contenido y creer que lo que dice el resumen corresponde al contenido del artículo). Por cierto, esto es algo que nos pasa a todos.

La sombra de la Luna observada por IceCube en el Polo Sur

Mucha gente dirá que observar la Luna a simple vista es mucho mejor que observar su sombra utilizando rayos cósmicos de TeV en IceCube, el gigantesco detector de neutrinos y rayos cósmicos situado en el Polo Sur. IceCube ha observado la sombra de la Luna con más de 6σ entre abril de 2008 y mayo de 2009 utilizando 40 cuerdas de detectores (configuración IC40) y entre mayo de 2009 y mayo de 2010 utilizando 59 cuerdas (configuración IC59), logrando un error menor de 0,2 grados de resolución angular; para que tengas una idea de lo que significa esto, en la figura se ha dibujado la Luna con un círculo blanco. La sombra de la Luna se ha observado gracias a un déficit de 5320 ± 501 rayos cósmicos en IC40 (de un total de 18,8 millones) y de 8700 ± 550 en IC59 (de un total de 22,2 millones), lo que implica una significación de 10,2 σ y 13,9 σ, resp. Este estudio muestra la buena direccionalidad del detector, un factor importante a la hora de interpretar sus resultados sobre neutrinos de muy alta energía. El artículo técnico es IceCube Collaboration, «Observation of the cosmic-ray shadow of the Moon with IceCube,» arXiv:1305.6811, 29 May 2013.

Epi y Blas (Ernie & Bert) los dos neutrinos UHE observados por IceCube

Los dos neutrinos electrónicos ultraenergéticos (energía superior a 1 PeV, peta-electrón-voltio) observados por IceCube (el detector de neutrinos situado en el Polo Sur) fueron bautizados como Ernie y Bert, los nombres en inglés de Epi y Blas, en homenaje a los protagonistas de la serie infantil Barrio Sésamo por el siguiente sketch en el que Epi mostraba sus «ice cubes» (cubos de hielo) a Blas (fuente).

 

MINOS mide la velocidad de los neutrinos muónicos

En septiembre de 2011, el experimento italiano OPERA publicó que la velocidad de los neutrinos muónicos es superior a la velocidad de la luz en el vacío. Más tarde se descubrió un error en la medida. Sin embargo, en EEUU, el experimento MINOS logró financiación para medir la velocidad de los neutrinos. Se acaba de publicar el resultado, en 735 km (que separan el Fermilab (cerca de Chicago) de la mina de Soudan, Minnesota) los neutrinos han llegado 6,2 ± 2,4 ns (nanosegundos) más tarde de lo esperado (es decir, como si fueran un poco más lentos que la velocidad de la luz en el vacío). Un resultado a 2,6 σ que indica la presencia de un error sistemático, o bien una fluctuación estadística. Nos lo cuentan en Phil Adamson, «Exceeding the speed limit? Measuring neutrinos to the nanosecond,» Fermilab Today, April 12, 2013.

MINOS ha medido durante dos meses el flujo de neutrinos en Soudan producidos por la colisión de 80 trillones de protones (0,8 × 10²⁰ POT) contra un blanco de grafito en el Fermilab. En la medida del tiempo de vuelo se ha utilizado un procedimiento similar al usado por OPERA, pero mejorado en ciertos detalles. Se usan dos relojes atómicos sincronizados para la medida de tiempos y un sistema de medida de la distancia basado en GPS (en concreto, un sistema redundante con 32 satélites GPS). Por supuesto, el sistema de medida no puede lograr una precisión por debajo de los nanosegundos, cuando para a medida precisa de la velocidad de los neutrinos (y con ella de su masa) se requiere una precisión de femtosegundos (imposible de lograr usando GPS).

En resumen, un resultado esperado que no ha ofrecido ninguna sorpresa.

La búsqueda de neutrinos de Majorana en las desintegraciones de mesones B en LHCb

La semana que viene empiezan las conferencias de Moriond (EW y QCD), cuyo tema estrella será el bosón de Higgs, pero también hay otros resultados muy interesantes que muchos esperamos. Todavía no se sabe si los neutrinos son partículas tipo Majorana (no hay diferencia entre los neutrinos y los antineutrinos) o tipo Dirac (neutrinos y antineutrinos son partículas diferentes). Para estudiarlo se puede utilizar la doble desintegración beta sin neutrinos, parte derecha de la figura. En los experimentos del LHC en el CERN, en especial en LHCb, también se puede utilizar la desintegración de mesones B⁻, en la parte izquierda de la figura se presenta su diagrama de Feynman para la desintegración  B⁻ → D^(*)+ μ⁻ μ⁻, donde los neutrinos de Majorana (N) que se aniquilan mutuamente son virtuales, por lo que este diagrama es independiente de la masa del neutrino; hay otras desintegraciones de mesones B⁻, pero requieren que la masa del neutrino de Majorana N sea grande. Belle y LHCb han buscado este tipo de desintegración y aún no la han observado. En el caso de LHCb se buscó en 0,37 /fb de datos de colisiones de 2011 (LHCb Collaboration, «Searches for Majorana neutrinos in B⁻ decays,» Physical Review D 85: 112004, 2012 [arXiv:1201.5600]). LHCb acumuló 1,1/fb de colisiones a 7 TeV c.m. en 2011 y nada menos que 2,08 /fb a 8 TeV c.m. en 2012, es decir, dispone de unos 10 veces más datos que los utilizados en el artículo publicado Phys. Rev. D. Muchos esperamos que en Moriond se publique una actualización de esta búsqueda de neutrinos de Majorana en LHCb (al menos con los 1,1 /fb de 2011). Sinceramente, creo que será uno de los grandes resultados de la conferencia. Otros modos de desintegración «raros» que podrían ser actualizados en Moriond son discutidos por Hugo Ruiz, «Latest rare decay results from LHCb,» Les Rencontres de Physique de la Vallée d’Aoste, 27 Feb 2013 [slides].

WMAP+ACT+SPT confirman el modelo cosmológico ΛCDM con inflación a la espera de los datos de Planck

Se acaba de publicar el mejor ajuste de los parámetros cosmológicos del modelo ΛCDM a partir de los datos de WMAP9 + ACT+ SPT. El índice espectral escalar ns = 0,9690 ± 0,0089 es menor que la unidad en 3,5 σ, consistente con los modelos más sencillos de inflación cósmica. El número efectivo de partículas relativistas es Neff = 3,28 ± 0,40, compatible con las tres especies de neutrinos ligeros del modelo estándar y descartando la existencia de cinco especies; habrá que esperar a los resultados del satélite Planck de la ESA para poder confirmar de forma definitiva que no hay ningún neutrino estéril. WMAP9 corresponde a los 9 años de observación de todo el fondo cósmico de microondas del satélite Wilkinson MAP de la NASA. ACT y SPT corresponden al Atacama Cosmology Telescope y al South Pole Telescope, resp., que observan con gran resolución una pequeña región del CMB. Estos datos pre-Planck durarán poco, pero apuntan a la confirmación del modelo ΛCDM (big bang con inflación cósmica, materia oscura fría y energía oscura). El artículo técnico es Erminia Calabrese et al., «Cosmological Parameters from Pre-Planck CMB Measurements,» arXiv:1302.1841, 12 Feb 2013.