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Una colaboración internacional de científicos que trabajan en el experimento MicroBooNE en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab) de Estados Unidos ha anunciado que no se ha encontrado evidencia de un cuarto tipo de neutrino en un artículo publicado hoy en la prestigiosa revista Nature. El CIEMAT, miembro de la colaboración y parte de su Comité de Publicaciones (2020 – 2022), ha tenido una participación destacada en la operación del sistema de lectura del detector.

Experimentos anteriores observaron que los neutrinos se comportaban de una manera inconsistente con el Modelo Estándar de Física de Partículas. Algunos físicos teóricos sugirieron que un neutrino estéril podría explicar estas anomalías. Sin embargo, con este nuevo resultado, MicroBooNE descarta con un nivel de confianza del 95% la explicación de que se trate de un único neutrino estéril.

El Modelo Estándar es la mejor teoría que tienen los científicos para explicar cómo funciona el universo, sin embargo, está incompleto. “Sabemos que el Modelo Estándar hace un gran trabajo describiendo una serie de fenómenos en el mundo natural”, afirma Matthew Toups, científico de Fermilab y co-portavoz de MicroBooNE, “y al mismo tiempo, sabemos que está incompleto. No da cuenta de la materia oscura, la energía oscura ni la gravedad”. Por ello, los físicos están en la búsqueda de nueva física que pueda arrojar luz sobre algunos de los mayores misterios del universo.

Los neutrinos son partículas tentadoras cuando se trata de búsquedas de nueva física porque hay muchos misterios que rodean a estas partículas fantasmales.

Un misterio en particular ha atormentado a los físicos durante décadas. El Modelo Estándar establece que hay tres tipos, o sabores, de neutrinos: electrónico, muónico y tauónico. Los neutrinos oscilan entre estos sabores, cambiando, por ejemplo, de un neutrino muónico a un neutrino electrónico o a un neutrino tauónico. Los científicos llevan décadas estudiando cómo los neutrinos oscilan entre estos sabores, proporcionando una base sólida para comprender con qué frecuencia se supone que los neutrinos cambian de sabor. Los primeros indicios de que algo inesperado podría estar ocurriendo cuando los neutrinos oscilan fueron observados en el experimento Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en 1995. El experimento MiniBooNE en Fermilab se construyó para verificar esos resultados. Tanto LSND como MiniBooNE hicieron medidas que sugerían que los neutrinos muónicos oscilaban en neutrinos electrónicos a distancias menores que las que son posibles con sólo tres sabores de neutrinos.

“Esos experimentos vieron un cambio de sabor en una escala de longitud que sencillamente no es consistente con que solo haya tres neutrinos” –explica Justin Evans, profesor de la Universidad de Manchester y co-portavoz de MicroBooNE– “y la explicación más popular en los últimos 30 años para explicar las anomalías es que hay un neutrino estéril”. Aunque los neutrinos no son conocidos por ser partículas particularmente sociales, ocasionalmente interactúan con la materia a través de la fuerza débil. Para que existiera un neutrino no descubierto, tendría que interaccionar todavía menos. En el caso de un neutrino estéril, esta partícula hipotética solo interactuaría mediante la gravedad.

MicroBooNE, un experimento con una cámara de proyección temporal de argón líquido, está situado en el haz de neutrinos Booster Neutrino Beam (BNB), a sólo 70 metros de donde MiniBooNE detectó la anomalía. Desde esa posición, MicroBooNE observó interacciones de neutrinos del haz BNB y del otro haz de neutrinos en Fermilab, el haz Neutrinos at the Main Injector (NuMI).

MicroBooNE tomó datos entre 2015 y 2021, y es el primer experimento que ha realizado una búsqueda de neutrinos estériles con un detector y dos haces simultáneamente. La observación de neutrinos de ambos haces permitió reducir las incertidumbres en el resultado de MicroBooNE, lo que hizo posible excluir casi toda la región en la que podría estar escondido un neutrino estéril.

“Es realmente emocionante realizar ciencia de vanguardia que tiene un gran impacto en nuestro campo, así como el desarrollo de nuevas técnicas que apoyarán y permitirán futuras medidas científicas”, afirma Toups.

Además de continuar la búsqueda de nueva física, la colaboración MicroBooNE está proporcionando información sobre cómo interactúan los neutrinos en el argón líquido, una medida importante que beneficiará a otros experimentos con cámaras de proyección temporal de argón líquido como el Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

Aunque se ha descartado una explicación para las anomalías observadas por MiniBooNE y LSND, el misterio de su origen aún permanece. Este resultado ha utilizado solo el 60% del total de datos de MicroBooNE y los científicos ya están comenzando a analizar el resto.

El CIEMAT, parte de la colaboración internacional MicroBooNE

El investigador de CIEMAT José Ignacio Crespo Anadón, que sirvió como responsable de los sistemas electrónicos de lectura de la cámara de proyección temporal y tubos fotomultiplicadores del detector MicroBooNE desde 2018 hasta el fin de la toma de datos, declara “Es un resultado significativo que confirma algo que sospechábamos desde hacía tiempo: la hipótesis de un neutrino estéril no es satisfactoria. Si las anomalías se deben a una nueva física, tiene que tratarse de algo más complejo”.

El CIEMAT lidera la búsqueda de física más allá del Modelo Estándar en el experimento SBND, un nuevo detector de argón líquido que entró en funcionamiento en 2024, situado a tan solo 110 metros del origen del haz BNB. “Si hay algo desconocido en ese haz de neutrinos, en SBND lo veremos” afirma Crespo.

La colaboración internacional MicroBooNE está organizada por el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. La colaboración está formada por 193 científicos de 40 instituciones, incluidos laboratorios nacionales y universidades de seis países.