Científicos avanzan en la búsqueda del esquivo neutrino estéril

Los neutrinos son partículas extremadamente difíciles de detectar, pero juegan un papel fundamental en el universo. Según el Modelo Estándar de la física de partículas, existen tres tipos conocidos de neutrinos. Sin embargo, la situación cambió cuando los científicos descubrieron las oscilaciones de neutrinos, un fenómeno que demuestra que estas partículas tienen masa y pueden cambiar de tipo mientras se desplazan por el espacio. A lo largo de los años, varios resultados experimentales inexplicables alimentaron la especulación sobre un cuarto tipo, conocido como neutrino estéril, que interactuaría incluso más débilmente que los demás. Confirmar su existencia marcaría un cambio significativo en nuestra comprensión de la física fundamental.

Un nuevo estudio publicado en Nature reportó la búsqueda directa más precisa hasta la fecha de los neutrinos estériles. Este trabajo provino de la colaboración KATRIN, que analizó las desintegraciones radiactivas del tritio para buscar signos sutiles de un tipo adicional de neutrino.

El experimento KATRIN, ubicado en el Karlsruhe Institute of Technology en Alemania, fue diseñado originalmente para medir la masa de los neutrinos. Esto se logra rastreando cuidadosamente las energías de los electrones liberados durante la desintegración beta del tritio. Cuando el tritio se desintegra, el neutrino lleva consigo algo de energía, lo que altera ligeramente el patrón de energía de los electrones emitidos. Si un neutrino estéril se produjera ocasionalmente, dejaría una distorsión reconocible, o "kink", en ese patrón.

KATRIN se extiende más de 70 metros y cuenta con una potente fuente de tritio gaseoso sin ventanas, un espectrómetro de alta resolución que mide con precisión las energías de los electrones y un detector que registra las partículas. Desde que comenzó a operar en 2019, el experimento ha recopilado datos de desintegración beta del tritio con una precisión inigualable, buscando específicamente las pequeñas desviaciones esperadas de un neutrino estéril.

En el nuevo artículo de Nature, el equipo reportó la búsqueda más sensible de desintegración beta del tritio para neutrinos estériles hasta la fecha. Entre 2019 y 2021, KATRIN registró aproximadamente 36 millones de electrones durante 259 días de toma de datos. Estas mediciones se compararon con modelos detallados de desintegración beta y lograron una precisión mejor al uno por ciento. El análisis no encontró evidencia de un neutrino estéril.

Este resultado descarta una amplia gama de posibilidades que habían sido sugeridas por anomalías anteriores. Estas anomalías incluían déficits inesperados observados en experimentos de neutrinos de reactor y mediciones de fuentes de galio, que habían insinuado la existencia de un cuarto neutrino. Los hallazgos también contradicen completamente al experimento Neutrino-4, que había afirmado haber encontrado evidencia de tal partícula.

La excepcionalmente baja radiación de fondo de KATRIN significa que casi todos los electrones detectados provienen de la desintegración del tritio, lo que permite una medición muy limpia del espectro de energía. A diferencia de los experimentos de oscilación, que observan cómo los neutrinos cambian de identidad después de recorrer cierta distancia, KATRIN examina la distribución de energía en el momento en que se crea el neutrino. Debido a que estos métodos investigan diferentes aspectos del comportamiento de los neutrinos, se complementan entre sí y juntos proporcionan una fuerte evidencia en contra de la hipótesis del neutrino estéril.

El co-portavoz de KATRIN, Kathrin Valerius (KIT), destacó que el experimento continuará recopilando datos hasta 2025, lo que mejorará aún más su sensibilidad y permitirá pruebas más estrictas para los neutrinos estériles ligeros. "Para cuando finalice la toma de datos en 2025, KATRIN habrá registrado más de 220 millones de electrones en la región de interés, aumentando las estadísticas más de seis veces", afirmó.

Además, se planea una actualización para 2026, cuando se añadirá el detector TRISTAN al experimento. TRISTAN registrará el espectro completo de desintegración beta del tritio con estadísticas sin precedentes. Al eludir el espectrómetro principal y medir directamente las energías de los electrones, TRISTAN podrá investigar neutrinos estériles mucho más pesados. "Este nuevo conjunto de herramientas abrirá una nueva ventana en el rango de masa keV, donde los neutrinos estériles podrían incluso formar la materia oscura del universo", explicó Susanne Mertens (Max-Planck-Institut für Kernphysik).

La colaboración KATRIN reúne a científicos de más de 20 instituciones en 7 países, reflejando el esfuerzo global detrás de uno de los experimentos de neutrinos más precisos jamás construidos.

Temas