IceCube, el mayor telescopio de neutrinos del mundo ubicado en el Polo Sur, publica en Physical Review Letters los resultados más exhaustivos en su búsqueda de un hipotético cuarto tipo de neutrino, llamado ‘estéril’ porque no interactuaría con la materia. Propuesto por varias teorías como pieza clave para resolver el misterio de la desaparición de antimateria o del origen de la materia oscura en el Universo, los resultados presentados por IceCube descartan ahora casi por completo la existencia de neutrinos estériles en el rango de masas donde otros experimentos habían observado anomalías que se interpretaron como señales de esta partícula. En el análisis participa Jordi Salvadó, investigador postdoctoral del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV).

En su esfuerzo por completar el Modelo Estándar de Física de Partículas, teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones, la ciencia ha realizado una diligente búsqueda de una partícula hipotética conocida como ‘neutrino estéril’. Esta partícula se añadiría a la ‘foto de familia’ de los neutrinos, y ayudaría a explicar una serie de incógnitas que sugiere la existencia de más tipos de neutrinos que los tres conocidos. En última instancia, esta partícula podría resolver el misterio del origen de la materia oscura y de la asimetría materia-antimateria en el Universo.

El neutrino se conoce como la ‘partícula fantasma’ porque apenas tiene masas e interactúa débilmente con la materia ordinaria, lo que lo convierte en una partícula elemental muy difícil de detectar. Billones de neutrinos atraviesan su cuerpo en el tiempo que tarda en leer esta frase. Hay tres tipos de neutrinos: muón, electrón y tau. Varios experimentos informaron sobre pistas de un posible cuarto tipo de neutrino, conocido como neutrino estéril, que no interactuaría en absoluto con la materia excepto, posiblemente, mediante la gravedad.

Descubrir el neutrino estéril abriría una brecha en el Modelo Estándar, que solo permite los tres tipos conocidos de neutrinos. “Incluir un cuarto neutrino lo cambia todo”, explica Francis Halzen, profesor en la Universidad Wisconsin-Madison (EE.UU.) e investigador principal de IceCube, un gran detector de neutrinos enterrado en el hielo del Polo Sur. “Estéril significa que no interactúa con la materia, aunque puede interferir en la forma en la que lo hacen los neutrinos convencionales”.

La única forma de detectar un neutrino estéril es atraparlo en el momento en el que se transforma en uno de los otros tipos de neutrinos, electrón, tau o muón. Varios experimentos han apuntado a la existencia de neutrinos estériles, entre ellos el Liquid Scintillator Neutrino Detector del Laboratorio Nacional de Los Alamos (EE.UU.) en los años 90, MiniBoone en Fermilab y, más recientemente, experimentos cerca de reactores nucleares como el de Daya Bay en Hong Kong (China). Pero los científicos no han podido conseguir todavía la evidencia definitiva de su existencia.

Ahora, en un estudio publicado en Physical Review Letters, los investigadores de IceCube pueden haber puesto fin en gran parte a la discusión sobre la existencia de este cuarto tipo de neutrino. Dos análisis independientes con datos del detector antártico, cada uno utilizando un año de datos o alrededor de 100.000 eventos de neutrinos, no han encontrado la marca característica asociada al neutrino estéril, avanza Halzen.

Los análisis se realizaron utilizando neutrinos atmosféricos, que se crean cuando los rayos cósmicos chocan con las partículas en las capas altas de la atmósfera. Los grupos de investigación concluyen que hay un 99% de certeza de que las señales de neutrinos estériles en la región de masas del electronvoltio (eV) vistas por otros experimentos no existen. “Como con Elvis, la gente ve señales de neutrinos estériles por todas partes”, dice Halzen. “Había una colección de pistas que convenció a muchos físicos teóricos de su existencia”.

Los grupos que realizaron los análisis estudiaron los cientos de miles de eventos de neutrinos que alcanzaron el detector IceCube tras atravesar la Tierra desde el cielo del hemisferio Norte. Puesto que solo los neutrinos pueden pasar por el planeta sin problemas, la Tierra sirve como pantalla al experimento filtrando otros tipos de partículas. Los neutrinos se detectan cuando en ocasiones chocan con un núcleo del hielo antártico, creando un muón y, posteriormente, destellos de la luz Cherenkov que provoca, captados por algunos de los 5.160 sensores de luz instalados en el hielo.

La búsqueda llevada a cabo por IceCube utilizó neutrinos en un rango de energía desde los 320 gigaelectronvoltios (GeV) hasta los 20 teraelectronvoltios (TeV). En este rango, los neutrinos estériles dejarían un rastro muy distintivo, asegura Halzen. Para Jordi Salvadó, investigador postodoctoral del Instituto de Física Corpuscular que participa en el análisis, “IceCube es el experimento ideal porque que mide con mucha estadística el rango de energías de interés en la física de los neutrinos estériles”. Sin embargo, el experimento no estaba diseñado para trabajar en ese rango, por lo que parte de su trabajo fue entender la física y el funcionamiento del experimento en ese contexto, permitiendo realizar las medidas de precisión necesarias para el análisis publicado ahora.

“Este nuevo resultado destaca la versatilidad de IceCube”, declara Olga Botner, profesora en la Universidad de Uppsala (Suecia) y portavoz de la colaboración científica del experimento. “No es solo un instrumento para la exploración del universo extremo, sino que también permite estudiar las propiedades de los neutrinos”. IceCube fue el primer experimento en detectar neutrinos de origen astrofísico, cuyo origen se situaría en fenómenos violentos más allá de nuestro Sistema Solar. Esta nueva forma de estudiar el cosmos mediante neutrinos se completará con la construcción de KM3NeT, un telescopio de neutrinos aún mayor sumergido en el Mar Mediterráneo en el que el IFIC lidera la participación española.

Según Jordi Salvadó, este estudio abre la puerta a la física de precisión para el flujo de neutrinos atmosféricos en el rango de los TeV, permitiendo realizar otros análisis como estudiar interacciones no estándares con la materia o ‘nueva física’ que pueda dar pistas sobre el origen de su pequeña masa y de las diferencias entre las masas de los tres tipos de neutrinos que hay. Salvadó sigue trabajando en estos temas a través del grupo de investigación del IFIC que participa en Elusives, una red de investigación europea centrada en el estudio teórico de la física de neutrinos y de materia oscura.

Más información:

"Searches for Sterile Neutrinos with the IceCube Detector," IceCube Collaboration: M.G. Aartsen et al. Physical Review Letters 117, 071801 (2016). DOI:10.1103/PhysRevLett.117.071801