Thomas J. Weiler es uno de los mayores expertos mundiales en neutrinos cósmicos, partículas elementales sin apenas masa que llegan a la Tierra con energías muy superiores a las producidas en aceleradores de partículas como el LHC del CERN. Pionero en los estudios teóricos en este campo, Weiler visita estos meses el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València) para profundizar en varias líneas de investigación con Sergio Palomares Ruiz, con quien ya trabajó durante la estancia postdoctoral de este en la Universidad Vanderbilt en Nashville (Tennessee, EE.UU.). Entre ellas, estudios teóricos sobre la propagación de neutrinos cósmicos y anomalías en el flujo de estos neutrinos que podrían revelar la presencia de ‘nueva física’.

Uno de los intereses actuales de Thomas J. Weiler es estudiar las señales anómalas detectadas por ANITA, un detector ubicado en un globo sobre la Antártida diseñado para detectar rayos cósmicos muy energéticos por las ‘cascadas’ de partículas (showers) que producen cuando interaccionan con la atmósfera o con el hielo. En sus campañas de 2006 y 2014, este experimento de la NASA detectó señales inesperadas que sugerían la existencia de partículas que llegaban a través de la Tierra con mucha energía.

Weiler publicó, junto a Sergio Palomares, en 2006 un conocido artículo (Phys. Rev. D73 (2006) 083003) donde calculaban las posibilidades de captar diferentes tipos de cascadas ultraenergéticas por parte de experimentos dedicados al estudio de rayos cósmicos. Durante la estancia de Weiler en el IFIC quieren profundizar en esta línea, analizando la posibilidad de que estos sucesos puedan producirse por nuevas partículas no descritas en el Modelo Estándar como un nuevo tipo de neutrino muy pesado, que formaría la llamada materia oscura.

Los investigadores establecieron entonces que la fracción de los eventos donde las partículas producen desde la Tierra hacia la atmósfera (proceso llamado ‘Earth-skimming’) y detectadas en agua/hielo es varias veces mayor que en el caso de detectores situados en tierra. Recientes cálculos han verificado estos resultados, y los investigadores quieren aplicarlos a experimentos actuales o futuros como POEMMA, un par de telescopios en el espacio planeados para la próxima década que intentarán detectar este tipo de neutrinos.

Tiempos nuevos, nuevos experimentos

Y es que el terreno de juego ha cambiado bastante desde que Weiler comenzó sus estudios sobre neutrinos cósmicos. En 2013 IceCube detectó los primeros neutrinos ultraenergéticos, cuyo origen no era la atmósfera o el Sol sino fenómenos violentos del cosmos como agujeros negros o supernovas; en 2016 se detectaron las primeras ondas gravitacionales por LIGO, que, junto a diversos experimentos en todo el mundo, pueden estudiar el Universo mediante otras fuentes. La astronomía multimensajero es una realidad, y la identificación del origen de estos nuevos mensajeros, entre ellos los neutrinos ultraenergéticos, mejora sensiblemente. La entrada en juego de KM3NeT contribuirá decisivamente a mejorar la astronomía con neutrinos.

Esta es otra de las líneas de investigación que Weiler quiere desarrollar durante su estancia en el IFIC, “un excelente lugar para hacer física de neutrinos”. La idea es trabajar en la física de sabor de los neutrinos aprovechando la experiencia de ambos, que se plasmó en sendos estudios sobre el sabor (la familia a la que pertenecen los neutrinos detectados) de los neutrinos de origen astrofísico de IceCube por parte de Sergio Palomares y otros miembros del IFIC (Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 091103, Phys. Rev. D91 (2015) 103008, Phys. Rev. D94  (2016) 023009), y en la determinación por parte de Weiler de las probabilidades de observar la transformación (oscilación) de estos neutrinos en su viaje por el cosmos hasta la Tierra (Phys. Rev. D91 (2015) 053001).

El estudio de la propagación de neutrinos cósmicos es una nueva línea de investigación que posibilitan experimentos recientes como IceCube, cuya ampliación está prevista en los próximos años, y, sobre todo, KM3NeT, que mejorará sustancialmente la posibilidad de determinar el origen de este tipo de neutrinos y donde el IFIC lidera la participación española. En este sentido, Weiler ve complementariedad con los habituales experimentos de este tipo, que utilizan un flujo de neutrinos producido y controlado por aceleradores de partículas. Entre estos destaca DUNE, la principal apuesta de Estados Unidos en física de neutrinos donde el IFIC tiene también una importante participación.  

Resonancia de Glashow y los Titanes de Tennessee

Según Weiler, las probabilidades de detectar uno u otro tipo de neutrinos astrofísicos en la Tierra están bastante acotadas, lo que permitirá realizar estudios sobre su propagación. Detectar alguna anomalía podría indicar la presencia de ‘nueva física’. Además, otro de los trabajos que Weiler desarrolla en el IFIC tiene que ver con la posibilidad de detectar la resonancia de Glashow, un tipo de interacción predicho por el Nobel de Física hace más de 50 años y que, tras la detección de los primeros neutrinos ultraenergéticos por IceCube, parece más cerca. Sería un nuevo hito del experimento cuyo director, Francis Halzen, es uno de los firmes candidatos al Premio Nobel de Física.

Thomas J. Weiler (Saint Louis, 1949) estudió Física en Stanford y se doctoró en Física Teórica en la Universidad de Wisconsin. Ingresó en la Universidad Vanderbilt de Nashville (Tennessee) en 1984, donde durante casi 40 años ha liderado su grupo de investigación en el Departamento de Física y Astronomía. En Valencia aún roba tiempo de sueño para seguir al equipo de fútbol americano local, los Tennessee Titans. Ha realizado estancias en los laboratorios y centros de investigación más prestigiosos (CERN, Caltech, Stanford, Max Planck...), y ha recibido numerosas distinciones: fellow de la Sociedad Americana de Física, Premio de Investigación de la Fundación Alexander von Humboldt (2008) y Simon’s Fellow en Física Teórica (2014).