IceCube No Encuentra Rastro de Neutrinos Estériles

El gigantesco detector de neutrinos del Polo Sur impone nuevas cotas a las propiedades de estas partículas hipotéticas.

Reconstrucción de la señal generada por la llegada de un neutrino cósmico de muy alta energía al experimento IceCube. Con miles de módulos ópticos enterrados bajo el hielo de la Antártida, el experimento cubre un volumen de detección de un kilómetro cúbico. [Colaboración IceCube/Universidad de Wisconsin-Madison.]

El experimento IceCube, el descomunal detector de neutrinos instalado bajo el hielo de la Antártida, no ve indicios de neutrinos estériles. Tras analizar los datos tomados en 2011-2012 y cruzarlos con los obtenidos en 2009-2010, cuando la configuración del detector era otra, los investigadores han logrado imponer nuevas cotas a las propiedades de una hipotética partícula elemental que, en caso de existir, ayudaría a resolver varios problemas abiertos en física de partículas, astrofísica y cosmología.


Los resultados, que fueron anunciados hace unos días por los miembros del experimento, han sido enviados a Physical Review Letters para su publicación. Los neutrinos son partículas de masa ínfima y carentes de carga eléctrica que, aparte de la fuerza de la gravedad, solo experimentan la interacción nuclear débil, por lo que resultan extremádamente difíciles de detectar. Hasta el momento se conocen tres tipos: el neutrino electrónico, el muónico y el tauónico. Una curiosa propiedad de estas partículas es que, cuando se propagan libremente por el espacio, los neutrinos de una especie pueden transmutarse espontáneamente en neutrinos de otra. El fenómeno, conocido en jerga técnica como «oscilación», plantea varios interrogantes teóricos para los que aún no existe una respuesta clara. Para resolverlos, hace años que los físicos consideran la posibilidad de que existan neutrinos «estériles»: un nuevo tipo de neutrino que, a diferencia de los conocidos, solo interaccionaría con la materia por medio de la gravedad (es decir, ni siquiera experimentaría la interacción débil, de ahí su nombre).


Además de su importancia en física de partículas, los neutrinos estériles también han sido propuestos para explicar parte de la composición de la materia oscura, así como ciertas anomalías relativas a la tasa de expansión del universo primitivo. En su último trabajo, los investigadores de IceCube han medido la distribución de neutrinos muónicos atmosféricos; es decir, los generados en la atmósfera terrestre como consecuencia del impacto de los rayos cósmicos. La idea básica es que, si existiesen los neutrinos estériles, algunos de los neutrinos ordinarios producidos en la atmósfera deberían transmutarse en ellos, por lo que al detector llegaría un número menor de lo esperado. Sin embargo, tras analizar la cantidad de neutrinos muónicos observados en función del ángulo de llegada y en un amplio intervalo de energías, los investigadores no han detectado ninguna ausencia anómala de dichas partículas. El resultado no descarta por completo la existencia de neutrinos estériles, pero sí acota aún más las propiedades que, en caso de existir, deberían exhibir estas esquivas partículas. «La ventaja de IceCube es su enorme tamaño y el hecho de que utilizamos los neutrinos producidos en la atmósfera como "haz", por lo que nos llegan con energías muy diferentes», apunta Carlos Pérez de los Heros, físico de la Universidad de Uppsala y miembro de la colaboración IceCube. «Eso nos permite llegar a más espacio de parámetros [valores de la masa del neutrino estéril y probabilidad de oscilación entre este y los neutrinos conocidos] que muchos experimentos basados en aceleradores.»

Hace unos años, los experimentos estadounidenses LSND, en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, y MiniBooNE, en el Fermilab, observaron ciertas anomalías en las oscilaciones de neutrinos que no parecían poder explicarse bien a partir de las tres especies conocidas. En concreto, esos y otros resultados habían dejado la puerta abierta a la existencia de un neutrino estéril con una masa del orden del electronvoltio y caracterizado por ciertas probabilidades de «mezcla» con los neutrinos conocidos. Los nuevos resultados de IceCube, sin embargo, excluyen dicha posibilidad con un nivel de confianza del 99 por ciento. Con todo, De los Heros matiza que el análisis de IceCube se limita a aquellos modelos que incluyen un solo tipo de neutrino estéril: «No podemos decir nada sobre los modelos con más de un neutrino estéril. Así que, con respecto a lo que a IceCube concierne, estos todavía son válidos», concluye el investigador. Más información en la página web de la colaboración IceCube. Una versión del artículo técnico se encuentra disponible en el repositorio arXiv.