La anomalía de los antineutrinos en los reactores nucleares y los neutrinos estériles

Fuente: Francis (th)E mule

Hay muchas noticias científicas de las que no nos hemos hecho eco en este blog, pero quizás tendríamos que haberlo hecho. En enero estuve a punto de hablar del artículo de G. Mention et al., “The Reactor Antineutrino Anomaly,” Phys. Rev. D 83: 073006, 2011 (ArXiv preprint, 14 Jan. 2011). Un artículo citado más de 40 veces en ArXiv y una de las noticias más importantes del año en cuanto a la física de los neutrinos (junto al descubrimiento de que el ángulo θ₁₃≠0). Los autores de este estudio descubrieron una anomalía sin explicación tras mejorar las técnicas para la predicción teórica de los resultados en su artículo Th.A. Mueller et al., “Improved Predictions of Reactor Antineutrino Spectra,” Phys. Rev. C 83: 054615, 2011 (ArXiv preprint, 14 Jan. 2011). Quizás sea buen momento de retomar esta cuestión, que he recordado por los recientes comentarios de Juan F. González Hernández en una entrada anterior. Por cierto, la noticia apareció ya en muchos medios gracias a Eugenie Samuel Reich, “The amazing disappearing antineutrino,”  News, Nature, Published online 1 April 2011.

La producción de antineutrinos en los reactores nucleares es debida a la desintegración beta, la transformación de un neutrón en un protón en el interior del núcleo inestable de un elemento radiactivo con la consiguiente emisión de un electrón y un antineutrino, con lo que el nucleido (A,Z) se transforma en (A,Z+1). Un análisis de 19 resultados publicados sobre el flujo de neutrinos en reactores nucleares ha encontrado un defecto en el flujo de antineutrinos en los detectores que se encuentran a menos de 100 metros del reactor. Un defecto del orden del 3% en el flujo de antineutrinos producido por los isótopos radiactivos ²³⁵U, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu y ²³⁸U. El nuevo artículo afirma que el cociente entre la tasa de eventos observada y la predicha es de 0,943±0,023, que implica una desviación respecto a la unidad con una nivel de confianza del 98,6% (2,2 σ). ¿Qué puede explicar esta anomalía? Obviamente, podemos ser malos y pensar que los nuevos cálculos teóricos de Th.A. Mueller et al. para la tasa de emisión de antineutrinos por reactores  ocultan algún fallo que nadie ha sabido ver aún (los cálculos previos no predecían la anomalía conduciendo a 0,976±0,024). Otra posibilidad es que la anomalía observada, de solo 2,2 σ de confianza, podría ser una fluctuación estadística o el efecto de errores sistemáticos; hay que recordar que menos de 100 metros es una distancia muy corta para observar oscilaciones de neutrinos; aunque en descargo de los autores, que una fluctuación estadística esté correlacionada en 19 experimentos diferentes parece poco probable. Finalmente, la posibilidad más interesante es que estemos ante una señal de nueva física más allá del modelo estándar.

Mention et al. han estudiado la posibilidad de que la anomalía que han observado tenga su origen en la existencia de un cuarto neutrino estéril (los neutrinos faltantes oscilarían (cambiarían de tipo/sabor) a dicho neutrino). Combiando sus nuevos resultados con los de los experimentos GALLEX-I, GALLEX-II, SAGE-Cr, SAGE-Ar y MiniBooNE confirman dicha hipótesis (descartan la hipótesis contraria de que no haya oscilación al 99,8% C.L. o con una confianza de 3 σ). El problema con la existencia de este neutrino estéril es que su existencia junto a la anomalía de antineutrinos descartan al 90% C.L. que el ángulo θ₁₃>0 (el otro gran resultado de este año en física de neutrinos que contamos en “Los seis neutrinos que cambiaron el mundo“). Sin embargo, no todos los físicos están de acuerdo con este análisis de Mention et al. Por ejemplo, Schwetz et al. afirman que la anomalía es compatible con θ₁₃>0 con una confianza de 1,8  σ, y Fogli et al. que afirman que es compatible con sin² θ₁₃= 0,025 ± 0,007 con una confianza de 1 σ.
Cualquier evidencia de nueva física más allá del modelo estándar introduce una chispa en la mente de los físicos teóricos que no pueden evitar ofrecer soluciones “exóticas” (quizás sea parte de la genética de los físicos teóricos). Por ejemplo, la anomalía de los antineutrinos en los reactores podría estar causada por las dimensiones extra del espaciotiempo, como nos propone Pedro A.N. Machado et al., “An Alternative Interpretation for the Gallium and Reactor Antineutrino Anomalies,” ArXiv preprint, 12 Jul. 2011; ver también P.A.N. Machado, “Large extra dimensions and neutrino oscillations,” NuFact Aug 06, 2011.
Ya hemos hablado de neutrinos estériles en varias ocasiones en este blog (tanto a favor, como en contra de su existencia). Los fermiones con masa, partículas de espín 1/2 como el electrón, tienen dos componentes de helicidad definida, e_L y e_R; sin embargo, los fermiones sin masa pueden tener una sola componente de helicidad definida, como se pensaba que pasaba con los neutrinos antes de que se descubriera que tenían masa, ν_eL, ν_μL y ν_τL. Ahora que sabemos que los neutrinos tienen masa, luego tienen que existir sus componentes ν_eR, ν_μR y ν_τR. Hay dos posibilidades, que el neutrino sea una partícula de Dirac, como el electrón, o que el neutrino sea una partícula de Majorana (en cuyo caso sería idéntica a su antipartícula). La mayoría de los físicos teóricos prefieren esta última posibilidad, pero los datos experimentales todavían no han podido verificarla. Un neutrino estéril ν_sL sería un neutrino anti-ν_R de baja masa que no interacciona mediante las interacciones fundamentales del modelo estándar (las interacciones electrodébil y cromodinámica), pero que puede oscilar con los otros tres neutrinos.

La física de los neutrinos es una de las ramas de la física de partículas más excitantes en estos momentos que promete gran número de sorpresas en la presente década. Una de estas sorpresas podría ser el descubrimiento de la existencia de los neutrinos estériles que podrían ser la antesala a efectos más exóticos (como la violación de la simetría CPT). Los neutrinos estériles también podrían ser un candidato a explicar la materia oscura del universo (no sería materia oscura caliente, solo cálida o warm dark matter), aunque tendrían que tener una masa mucho mayor de 1 eV y los datos cosmológicos apuntan a que la suma de las masas de todos los neutrinos (incluidos los estériles, si existen) es inferior a 1 eV. De hecho, los datos del fondo cósmico de microondas de WMAP-7 son compatibles con la existencia de 3+1 neutrinos (aunque no descartan que haya solo 3 neutrinos). Además, resultados preliminares de IceCube se interpretan mejor con 3+1 neutrinos, aunque tampoco descartan que haya solo 3 neutrinos. Muchos resultados experimentales están a favor de la existencia de los neutrinos estériles y muchos otros están en contra. De hecho, hay quien a propuesto un modelo 3+2, con dos neutrinos estériles como una solución de compromiso que evitaría muchas de las dificultades en contra de la existencia de un solo neutrino estéril (como J. Kopp et al., “Are there sterile neutrinos at the eV scale?,” ArXiv preprint, 23 Mar 2011).