De todas las partículas fundamentales conocidas, los neutrinos pueden ser los más misteriosos: aunque son muy abundantes en el universo y se descubrieron experimentalmente en 1956, a los investigadores todavía les queda mucho por aprender sobre ellos. Para saber más sobre las partículas evasivas ysus posibles vínculos con la evolución cósmica, la materia oscura invisible y el dominio de la materia sobre la antimateria en el universo, el Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC del Departamento de Energía está asumiendo roles clave en cuatro experimentos de neutrinos: EXO, DUNE, MicroBooNE e ICARUS.
Los neutrinos también fueron el tema central de la 43ª edición anual del Instituto de Verano SLAC para la física de partículas y la astrofísica. El evento educativo rico en tradiciones, celebrado del 10 al 21 de agosto, atrajo a más de 150 científicos de todo el mundo y contó con conferencias de algunos delos principales expertos en neutrinos del mundo.
"Los neutrinos son un tema de investigación candente y se han convertido en un foco principal de la física de alta energía de los Estados Unidos", dijo el teórico del SLAC Thomas Rizzo, uno de los organizadores de la escuela de verano. "Hay muchas cosas que queremos saber sobre los neutrinos. Por ejemplo, ¿cuáles son las masas de los neutrinos conocidos? ¿Hay otros tipos de neutrinos que desconocemos? ¿Los neutrinos y los antineutrinos se comportan de manera diferente? ¿O los neutrinos son sus propias antipartículas? "
Francis Halzen, investigador principal del Observatorio internacional de neutrinos IceCube en el Polo Sur y especialista en neutrinos en la Universidad de Wisconsin, dio la conferencia inaugural del instituto de verano. Dijo que los neutrinos tienen un alto potencial para el descubrimiento científico, y que nunca son nuncaaburrido. De hecho, la historia de la investigación de neutrinos ha visto algunos giros y vueltas sorprendentes.
Neutrinos esquivos y misteriosos
Los neutrinos son una de las partículas fundamentales más comunes en el universo. Se producen abundantemente en explosiones de supernovas, fusión nuclear impulsada por estrellas y otros procesos nucleares, lo que resulta en billones de neutrinos que pasan a través de nosotros cada minuto. Sin embargo, son muy difícilesestudiar porque raramente interactúan con su entorno y evaden fácilmente la detección. Esto explica por qué a los investigadores les tomó casi 30 años echar un primer vistazo a los neutrinos, aunque su existencia se había postulado por primera vez en 1930 para explicar una aparente violación de la conservación de la energía.en la desintegración radiactiva de núcleos atómicos inestables conocidos como desintegración beta.
Pocos años después del descubrimiento inicial en 1956, los investigadores fueron sorprendidos cuando más de un tipo de neutrino apareció en sus experimentos. Para el cambio de milenio, habían identificado tres tipos diferentes, o sabores, cada uno asociado conotra partícula asociada cargada fundamental: el electrón, el muón y la tau.
Durante mucho tiempo se pensó que los neutrinos carecían de masa. Pero en 1998, los científicos descubrieron que los neutrinos cambian con frecuencia de un sabor a otro, un proceso llamado oscilación de neutrinos que solo puede ocurrir si los neutrinos, de hecho, tienen masa.Aunque se desconocen las masas exactas, los investigadores estiman que los neutrinos son dos millones de veces más livianos que la siguiente partícula más pesada, el electrón, y esta gran diferencia de masa es uno de los grandes acertijos de la física de los neutrinos.
EXO: El origen de la masa de neutrinos
El origen de las masas de neutrinos podría ser diferente del origen de las masas de otras partículas. Esto podría explicar por qué los neutrinos son increíblemente ligeros. Una señal de que esto es cierto sería si fueran sus propias antipartículas. Esto solo es posible para los neutrinos, ya que no llevan carga eléctrica. El Observatorio de Xenón Enriquecido EXO está buscando un proceso nuclear raro teorizado, la desintegración doble beta sin neutrinos, que demostraría que los neutrinos y los antineutrinos son idénticos.
Ubicado a casi media milla bajo tierra en la Planta Piloto de Aislamiento de Residuos en Nuevo México, protegido de la radiación cósmica, el experimento sensible de EXO utiliza 200 kilogramos de xenón líquido enriquecido que podría sufrir la descomposición deseada. Si existe, lo haríaser tan raro que tomaría miles de millones de veces más tiempo que la edad del universo para que la mitad de los núcleos de xenón radiactivo se descompongan. Solo la gran cantidad de átomos de xenón en el experimento permite a los investigadores buscar una descomposición tan duradera.
"La desintegración doble beta sin neutrinos no solo nos dice que los neutrinos deben ser sus propias antipartículas", dijo el físico de partículas SLAC y miembro del equipo de EXO Martin Breidenbach. "A partir de la tasa de desintegración medida, también podríamos determinar la masa efectiva de neutrinos".
SLAC codirigió la construcción de la versión de 200 kilogramos del experimento EXO-200, que también sirve como banco de pruebas para una versión de escala de toneladas futura más sensible nEXO que brindaría a los investigadores una oportunidad mucho mayor de verdoble desintegración beta sin neutrinos.
DUNE: Trío de masas de neutrinos y desequilibrio entre materia y antimateria
Los investigadores de SLAC también participan en otro experimento de neutrinos: el Experimento de neutrinos subterráneos profundos DUNE, que será construido por una nueva colaboración internacional alojada en la Instalación de neutrinos de línea de base larga LBNF como la pieza central de la física de partículasprograma en los Estados Unidos
Como parte de LBNF, los neutrinos y antineutrinos se enviarán 800 millas a través de la Tierra desde el Laboratorio Nacional de Aceleración de Fermi en Illinois hasta el detector DUNE en Dakota del Sur, un "ojo" para los neutrinos que eventualmente consistirán en cuatro módulos de 10,000 toneladasde argón líquido.Los científicos rastrearán cómo las partículas se transforman de un sabor de neutrino a otro en el camino.
Al comparar las oscilaciones de los antineutrinos con las de los neutrinos, los investigadores de DUNE podrán determinar si los hermanos materia-antimateria se comportan de manera diferente. Si lo hacen, la diferencia podría ayudar a explicar por qué nuestro universo está hecho de materia en lugar de antimateria.
"Dado que cada sabor de neutrino interactúa de manera diferente con el material en la Tierra, el experimento también nos dirá cuál de los tres tipos de neutrinos es el más ligero y cuál es el más pesado", dijo el investigador Mark Convery, quien dirige el grupo LBNF / DUNE de SLAC.
El detector de argón líquido de DUNE también puede hacer posibles otros experimentos. Podría usarse, por ejemplo, para vislumbrar las explosiones de neutrinos de las explosiones de supernovas, lo que podría brindarnos más información sobre la física de las estrellas que colapsan. Científicos en el conjunto SLAC /El Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas de la Universidad de Stanford KIPAC está particularmente interesado en esta oportunidad de investigación.
MicroBooNE e ICARUS: Búsqueda de neutrinos desconocidos
Sin embargo, DUNE no estará listo hasta mediados de la década de 2020. Mientras tanto, Convery y su equipo también participan en los actuales experimentos MicroBooNE y futuros ICARUS en Fermilab. Estos son los llamados experimentos de línea de base corta con detectores de solo cientosde yardas lejos de la fuente de neutrinos, en lugar de cientos de millas de distancia.
"MicroBooNE e ICARUS nos ayudarán a prepararnos para DUNE, pero también tienen el potencial de descubrir física completamente nueva", dijo Convery. "Seguirán estudios previos de línea de base corta que observaron anomalías en las oscilaciones de neutrinos".
Los investigadores creen que estas anomalías podrían insinuar la existencia de un cuarto neutrino "estéril". Esta partícula hipotética podría estar vinculada a la materia oscura, la sustancia invisible que es cinco veces más frecuente en el universo que la materia normal.
El detector de argón líquido de 170 toneladas de MicroBooNE comenzó a recopilar datos en agosto de 2015, mientras que ICARUS, que es tres veces y media más pesado, se está actualizando en el laboratorio europeo de física de partículas CERN. Ambos experimentos eventualmente se convertirán en parte de unprograma de neutrinos de referencia corta de tres detectores en Fermilab, programado para lanzarse en 2018 y diseñado para aclarar si las sugerencias anteriores sobre neutrinos estériles son correctas o no.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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