Los físicos están más cerca que nunca de responder a preguntas fundamentales sobre los orígenes del universo mediante el estudio de sus partículas más pequeñas. Los científicos están intensificando la investigación sobre los neutrinos, partículas misteriosas que atraviesan la materia casi sin obstáculos. Los objetivos clave incluyen estudiar cómo los neutrinos cambian de tipo y buscar variedades previamente desconocidas, lo que podría transformar la comprensión actual de la física.
El profesor Alexandre Sousa de la Universidad de Cincinnati ha detallado la próxima década de investigación global sobre los neutrinos, partículas increíblemente diminutas que viajan casi a la velocidad de la luz y atraviesan prácticamente todo a razón de billones por segundo. Los neutrinos son las partículas con masa más abundantes del universo, lo que las convierte en un foco clave para los científicos que buscan comprender aspectos fundamentales de la física.
Estas partículas se producen en diversos procesos, como la fusión nuclear en el Sol, la desintegración radiactiva en reactores nucleares y la corteza terrestre, y experimentos en aceleradores de partículas. A medida que se mueven, los neutrinos pueden cambiar entre tres tipos, o «sabores», en un proceso que sigue intrigando a los investigadores. Pero resultados experimentales inesperados hicieron sospechar a los físicos que podría haber otro sabor de neutrino, llamado neutrino estéril, porque parece inmune a tres de las cuatro «fuerzas» conocidas.
“Teóricamente, interactúa con la gravedad, pero no tiene interacción con las otras, la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte o la fuerza electromagnética”, dijo Sousa.
En un nuevo documento técnico publicado en el _Journal of Physics G_, Sousa y sus coautores discuten anomalías experimentales en la exploración de neutrinos que han desconcertado a los investigadores. El documento fue producto del Ejercicio de Planificación Comunitaria de Física de Partículas, denominado «Snowmass 2021/2022». Los representantes de la física de altas energías se reúnen cada 10 años para colaborar en el futuro de la física de partículas en Estados Unidos y sus socios internacionales.
Su visión colectiva es articulada y confrontada con escenarios de financiación científica por el Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas, o P5, cuyo informe final emitido en 2023 hizo recomendaciones directas al Congreso sobre la financiación de los proyectos. Sousa fue autor correspondiente del documento que analiza algunos de los proyectos más prometedores que se avecinan en la próxima década.
El profesor de la UC Jure Zupan, el profesor asociado de la UC Adam Aurisano, el académico visitante de la UC Tarak Thakore, el becario postdoctoral de la UC Michael Wallbank y los estudiantes de física de la UC Herilala Razafinime y Miriama Rajaoalisoa también contribuyeron al documento.
“Los neutrinos parecen tener la clave para responder a estas preguntas tan profundas”, dijo el físico Alexandre Sousa del Colegio de Artes y Ciencias de la UC.
“Se espera un progreso en la física de los neutrinos en varios frentes”, dijo Zupan. Además de la búsqueda de neutrinos estériles, Zupan dijo que los físicos están estudiando varias anomalías experimentales —desacuerdos entre los datos y la teoría— que podrán probar en un futuro próximo con los próximos experimentos. Aprender más sobre los neutrinos podría trastocar siglos de nuestra comprensión de la física.
Varios proyectos de neutrinos han sido reconocidos con el premio científico más importante del mundo, el Premio Nobel, el más reciente con el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos recibiendo el Premio Nobel de Física de 2015. Países como Estados Unidos están invirtiendo miles de millones de dólares en estos proyectos debido al inmenso interés científico en la búsqueda de estas preguntas.
Una pregunta es por qué el universo tiene más materia que antimateria si el Big Bang creó ambas en igual medida. La investigación sobre los neutrinos podría dar la respuesta, dijo Sousa. “Puede que no marque la diferencia en tu vida diaria, pero estamos tratando de entender por qué estamos aquí”, dijo Sousa. “Los neutrinos parecen tener la clave para responder a estas preguntas tan profundas”.
Sousa forma parte de uno de los proyectos de neutrinos más ambiciosos llamado DUNE o Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo, llevado a cabo por el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi. Los equipos han excavado la antigua mina de oro de Homestake a 1500 metros bajo tierra para instalar detectores de neutrinos. Se tarda unos 10 minutos sólo en que el ascensor llegue a las cavernas de los detectores, dijo Sousa.
Los investigadores colocan los detectores a gran profundidad bajo tierra para protegerlos de los rayos cósmicos y la radiación de fondo. Esto facilita el aislamiento de las partículas generadas en los experimentos. El experimento comenzará en 2029 con dos de sus módulos detectores midiendo los neutrinos de la atmósfera. Pero a partir de 2031, los investigadores del Fermilab dispararán un haz de neutrinos de alta energía 1300 kilómetros a través de la Tierra hasta el detector que espera en Dakota del Sur y otro mucho más cercano en Illinois. El proyecto es una colaboración de más de 1.400 ingenieros, físicos y otros científicos internacionales.
“Con estos dos módulos detectores y el haz de neutrinos más potente jamás creado, podemos hacer mucha ciencia”, dijo Sousa. “La entrada en funcionamiento de DUNE será extremadamente emocionante. Será el mejor experimento de neutrinos de la historia”.
El artículo fue una empresa ambiciosa, con más de 170 colaboradores de 118 universidades o institutos y 14 editores, incluido Sousa. “Fue un muy buen ejemplo de colaboración con un grupo diverso de científicos. No siempre es fácil, pero es un placer cuando todo encaja”, dijo.
Mientras tanto, Sousa y Aurisano de la UC también participan en otro experimento de neutrinos del Fermilab llamado NOvA que examina cómo y por qué los neutrinos cambian de sabor y vuelven. En junio, su grupo de investigación informó sobre sus últimos hallazgos, proporcionando las mediciones más precisas de la masa de los neutrinos hasta la fecha. Otro proyecto importante llamado Hyper-Kamiokande, o Hyper-K, es un observatorio y experimento de neutrinos en construcción en Japón. Las operaciones allí podrían comenzar ya en 2027, ya que también busca pruebas de neutrinos estériles, entre otras preguntas de investigación.
“Eso debería arrojar resultados muy interesantes, especialmente cuando se juntan con DUNE. Así que los dos experimentos combinados harán avanzar enormemente nuestro conocimiento”, dijo Sousa. “Deberíamos tener algunas respuestas durante la década de 2030”. Zupan de la UC dijo que estos proyectos multimillonarios son prometedores para responder a preguntas fundamentales sobre la materia y la antimateria y los orígenes del universo. “Hasta ahora sólo conocemos un parámetro de este tipo en la física de partículas que tiene un valor distinto de cero, y que tiene que ver con las propiedades de los quarks”, dijo Zupan. “Si algo similar también está presente para los neutrinos es una pregunta abierta interesante”.
Sousa dijo que científicos de todo el mundo están trabajando en muchos otros experimentos de neutrinos que podrían proporcionar respuestas o generar nuevas preguntas. ¿Y después? “Entonces pensaré en la jubilación”, bromeó Sousa.
El artículo de referencia es: “Libro blanco sobre búsquedas de neutrinos estériles ligeros y fenomenología relacionada” por M A Acero, C A Argüelles, M Hostert, D Kalra, G Karagiorgi, K J Kelly, B R Littlejohn, P Machado, W Pettus, M Toups, M Ross-Lonergan, A Sousa, P T Surukuchi, Y Y Y Wong, W Abdallah, A M Abdullahi, R Akutsu, L Alvarez-Ruso, D S M Alves, A Aurisano, A B Balantekin, J M Berryman, T Bertólez-Martínez, J Brunner, M Blennow, S Bolognesi, M Borusinski, T Y Chen, D Cianci, G Collin, J M Conrad, B Crow, P B Denton, M Duvall, E Fernández-Martinez, C S Fong, N Foppiani, D V Forero, M Friend, A García-Soto, C Giganti, C Giunti, R Gandhi, M Ghosh, J Hardin, K M Heeger, M Ishitsuka, A Izmaylov, B J P Jones, J R Jordan, N W Kamp, T Katori, S B Kim, L W Koerner, M Lamoureux, T Lasserre, K G Leach, J Learned, Y F Li, J M Link, W C Louis, K Mahn, P D Meyers, J Maricic, D Markoff, T Maruyama, S Mertens, H Minakata, I Mocioiu, M Mooney, M H Moulai, H Nunokawa, J P Ochoa-Ricoux, Y M Oh, T Ohlsson, H Päs, D Pershey, R G H Robertson, S Rosauro-Alcaraz, C Rott, S Roy, J Salvado, M Scott, S H Seo, M H Shaevitz, M Smiley, J Spitz, J Stachurska, M Tammaro, T Thakore, C A Ternes, A Thompson, S Tseng, B Vogelaar, T Weiss, R A Wendell, R J Wilson, T Wright, Z Xin, B S Yang, J Yoo, J Zennamo, J Zettlemoyer, J D Zornoza, J Zupan, S Ahmad, E Arrieta-Diaz, V S Basto-Gonzalez, N S Bowden, B C Cañas, D Caratelli, C V Chang, C Chen, T Classen, M Convery, G S Davies, S R Dennis, Z Djurcic, R Dorrill, Y Du, J J Evans, U Fahrendholz, J A Formaggio, B T Foust, H Frandini Gatti, D Garcia-Gamez, S Gariazzo, J Gehrlein, C Grant, R A Gomes, A B Hansell, F Halzen, S Ho, J Hoefken Zink, R S Jones, P Kunkle, J-Y Li, S C Li, X Luo, Yu Malyshkin, C J Martoff, D Massaro, A Mastbaum, R Mohanta, H P Mumm, M Nebot-Guinot, R Neilson, K Ni, J Nieves, G D Orebi Gann, V Pandey, S Pascoli, G Paz, A A Petrov, X Qian, M Rajaoalisoa, S H Razafinime, C Roca, G Ron, B Roskovec, E Saul-Sala, L Saldaña, D W Schmitz, K Scholberg, B Shakya, P L Slocum, E L Snider, H Th J Steiger, A F Steklain, M R Stock, F Sutanto, V Takhistov, R Tayloe, Y-D Tsai, Y-T Tsai, D Venegas-Vargas, M Wallbank, E Wang, P Weatherly, S Westerdale, E Worcester, W Wu, G Yang and B Zamorano, 29 de octubre de 2024, _Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics_.
Los temas principales de este artículo incluyen: Neutrinos, Física de Partículas, Popular, Universidad de Cincinnati.
En la sección de comentarios, Bao-hua ZHANG pregunta por qué es necesario buscar neutrinos si son las partículas más abundantes con masa. Clyde Spencer responde que los detectores se colocan bajo tierra para aislarlos de la radiación y los rayos cósmicos, y que el experimento consiste en enviar un haz de neutrinos a través de la Tierra para su detección. Bao-hua ZHANG vuelve a comentar sobre la importancia de la imaginación en la física y menciona conceptos como la violación CP, las partículas de Dios y los neutrinos. Boba señala que otro artículo de la misma revista afirma que los neutrinos estériles no existen, a pesar de ser presentados aquí como la clave de todos los secretos. Brian Payne, un técnico de mantenimiento, pregunta si los neutrinos podrían estar actuando de forma inteligente, cambiando su «sabor» para rellenar huecos y construir elementos esenciales. También se pregunta si la antimateria podría estar actuando como una fuerza externa que modela el universo. Bob Getsla hace referencia a una estafa, que es identificada como spam por Nomad. JoeSchmoe comenta que los científicos nunca descubrirán el origen del universo. AG3 explica por qué la antimateria está desaparecida, que no es probable que mantenga unido al universo, y que los cambios en los neutrinos son diferentes a los cambios en los seres vivos, donde está involucrada la selección natural, y que no hay inteligencia involucrada en los cambios de los cilios pulmonares.
