Un equipo internacional de físicos ha desarrollado un modelo preciso para explicar cómo los neutrinos interactúan con los núcleos atómicos; sistemas complicados conformados por protones y neutrones (nucleones), unidos por la fuerza nuclear fuerte. Este conocimiento es esencial para desentrañar un misterio aún mayor: por qué durante su viaje a través del espacio o la materia, los neutrinos se transforman mágicamente, de uno a otro, de los tres sabores posibles.

Según el modelo estándar de la física de partículas, se denomina «sabor» al atributo que distingue a cada uno de los seis quarks: u (arriba), d (abajo), s (extraño), c (encantado), b (fondo) y t (cima).

Los neutrinos, a menudo llamados “partículas fantasma” porque atraviesan la materia y nuestros cuerpos de forma inadvertida, están envueltos en un misterio.

Fueron una de las partículas más abundantes en el origen del Universo y lo siguen siendo hoy.

A pesar de casi un siglo de investigaciones, los físicos aún no comprenden completamente la masa de los neutrinos o los parámetros que caracterizan un comportamiento extraño conocido como “oscilaciones de sabores”: la capacidad de transformarse de un sabor a otro.

Para medir estas oscilaciones de sabores, los físicos han llevado a cabo dos conjuntos de experimentos: MiniBooNE (Experimento Mini Booster de Neutrinos) y NOvA (Apariencia NuMI Off-axis νe), en el Laboratorio Nacional Fermi de DOE.

En estos experimentos, los científicos generan una intensa corriente de neutrinos en un acelerador de partículas, luego los envían a detectores de partículas durante un largo período de tiempo o la distancia; a quinientas millas de la fuente, respectivamente.

Conociendo la distribución original de los sabores de neutrinos, los científicos luego recopilan datos relacionados con las interacciones de los neutrinos con los núcleos atómicos, en los detectores.

A partir de esa información, pueden calcular cualquier cambio en los sabores de neutrinos a lo largo del tiempo o la distancia.

En el caso de los detectores MiniBooNE y NOvA, los núcleos son del isótopo de carbono-12, que tiene seis protones y seis neutrones.

La interpretación de estos experimentos depende en gran medida de una comprensión detallada de cómo interactúan los neutrinos con los núcleos atómicos en una amplia gama de energías.

El estudio

El Dr. Alessandro Lovato y sus colegas del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), el Instituto INFN-TIFPA Trento de Física Fundamental y Aplicaciones, el Laboratorio Nacional de Los Álamos, el Laboratorio Jefferson y la Universidad Old Dominion abordaron este problema en el régimen donde los protones y los neutrones son los activos dominantes en la interacción.

“Si bien se postularon por primera vez hace casi un siglo y se detectaron por primera vez hace 65 años, los neutrinos permanecen envueltos en un misterio debido a su renuencia a interactuar con la materia”, dijo el Dr. Lovato.

“Nuestro equipo entró en escena porque estos experimentos requieren un modelo muy preciso de las interacciones de los neutrinos con los núcleos del detector en un amplio rango de energía”, agregó la Dra. Noemi Rocco, investigadora postdoctoral en el Laboratorio Nacional Argonne y Fermilab.

El modelo de física nuclear del equipo, de las interacciones de neutrinos con un solo nucleón y un par de ellos, es el más preciso hasta ahora.

“Nuestro modelo es el primer enfoque para modelar estas interacciones a un nivel tan microscópico”, dijo la Dra. Rocco.

“Los enfoques anteriores no eran tan finos”.

Uno de los hallazgos importantes del equipo, basado en cálculos llevados a cabo en la supercomputadora Mira en las instalaciones ALCF, fue que; la interacción del par de nucleones es crucial para modelar con gran precisión las interacciones de neutrinos con núcleos.

“Cuanto más grandes sean los núcleos del detector, mayor será la probabilidad de que los neutrinos interactúen con ellos”, dijo el Dr. Lovato.

“En el futuro, planeamos extender nuestro modelo a datos de núcleos más grandes, es decir, los de oxígeno y argón, en apoyo a experimentos planeados en Japón y Estados Unidos”.

Crédito de la imagen: DESY / Science Communication Lab.

Referencia del documento científico:
A. Lovato et al. 2020. Ab Initio Study of (νℓ, ℓ−) and (ν¯ℓ, ℓ+) Inclusive Scattering in ¹²C: Confronting the MiniBooNE and T2K CCQE Data. Phys. Rev. X 10 (3): 031068; doi: 10.1103/PhysRevX.10.031068