Investigadores del experimento del Detector de Corta Distancia (SBND, por sus siglas en inglés), ubicado en las instalaciones del Laboratorio Nacional Fermi del Departamento de Energía de los Estados Unidos, han identificado las primeras interacciones de neutrinos en el detector. Este hecho supone un importante hito para confirmar o refutar la presencia de una física desconocida que explique las anomalías observadas durante los últimos treinta años, que sugieren la existencia de un nuevo tipo de neutrino fuera del modelo de la física actual.
Personal investigador del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) y la Universidad de Granada participan, por parte de España, en este proyecto internacional que involucra unos 250 físicos e ingenieros de Brasil, España, Estados Unidos, Reino Unido y Suiza y que ya tiene el objetivo de resolver un misterio en la física de partículas de décadas de antigüedad. A este respecto, el investigador del CIEMAT y miembro de la colaboración SBND desde 2015, José I. Crespo-Anadón ha destacado la contribución del CIEMAT "aportando parte del sistema de adquisición de datos del detector, así como en la caracterización de sensores, y el desarrollo de simulaciones y algoritmos de reconstrucción de luz de centelleo."
Por su parte, el investigador Diego García-Gámez, también miembro de la colaboración SBND desde 2015, ha destacado la contribución de la Universidad de Granada “coordinando y desarrollando tanto la simulación como los algoritmos de reconstrucción de la luz de centelleo y su sistema de detección dentro del experimento, además de liderar estudios sobre búsqueda de hiperones, producción de piones en procesos de corriente cargada y producción coherente de mesones”.
"SBND es un detector muy complejo: hilos de metros de longitud para detectar las nubes de partículas cargadas, sensores capaces de detectar unos pocos fotones, paneles para ver rayos cósmicos... el argón que llena el detector está enfriado a -186 grados Celsius, actuando como un condensador gigante a miles de voltios. Cuando lo conoces en detalle parece casi un milagro que todas esas piezas funcionen juntas a la vez" señala Rodrigo Álvarez Garrote, investigador predoctoral en el CIEMAT, y añade que "da una idea de lo difícil que es avanzar nuestro conocimiento en el campo hoy día".
El Programa de Neutrinos de Corta Distancia de Fermilab realizará búsquedas de oscilaciones de neutrinos, buscando la evidencia que pueda apuntar a este cuarto neutrino. SBND es el detector más cercano, mientras que ICARUS, que comenzó a recopilar datos en 2021, es el detector lejano.
Neutrinos
Los neutrinos son la segunda partícula más abundante en el Universo, aunque son extremadamente difíciles de estudiar porque sólo interactúan a través de la gravedad y la fuerza nuclear débil, lo que significa que rara vez aparecen en los detectores. Los neutrinos vienen en tres tipos o sabores: muónico, electrónico y tauónico. Quizás lo más extraño de estas partículas es que cambian entre estos sabores, oscilando de muónico a electrónico a tauónico. Los científicos saben con bastante certeza cuántos neutrinos de cada tipo deberían estar presentes a diferentes distancias de una fuente de neutrinos. Sin embargo, las observaciones de algunos experimentos con neutrinos previos no estuvieron de acuerdo con esas predicciones.
El Modelo Estándar es la mejor teoría sobre el funcionamiento del universo en su nivel más fundamental y es la guía que los físicos utilizan para calcular todo, desde colisiones de partículas de alta intensidad en aceleradores de partículas hasta desintegraciones muy raras. A pesar de ser una teoría que ha superado muchas pruebas, el Modelo Estándar está incompleto. Durante los últimos 30 años, múltiples experimentos han observado anomalías que pueden sugerir la existencia de un nuevo tipo de neutrino.
"Eso podría significar que hay más tipos de neutrinos que los tres conocidos", explicó Anne Schukraft, investigadora de Fermilab. "A diferencia de los tres tipos conocidos de neutrinos, este nuevo tipo de neutrino no interactuaría a través de la fuerza débil. La única forma en que se manifestarían es si la medición del número de neutrinos muónicos, electrónicos y tauónicos no cuadra como debería".
DUNE
Debido a que está ubicado muy cerca del haz de neutrinos, SBND observará 7.000 interacciones de neutrinos al día, más neutrinos que cualquier otro detector de su tipo. La gran muestra de datos permitirá a los investigadores estudiar las interacciones de neutrinos con una precisión sin precedentes. La física de estas interacciones es un elemento importante para futuros experimentos que utilizarán argón líquido para detectar neutrinos, como el experimento subterráneo de neutrinos de larga distancia, el Deep Underground Neutrino Experiment o DUNE, en el que también el CIEMAT participa.
Es relativamente fácil modelar lo que sucede con núcleos simples como el helio y el hidrógeno, pero SBND, como muchos experimentos modernos con neutrinos, utiliza argón para atrapar neutrinos. El núcleo de un átomo de argón consta de 18 protones y 22 neutrones, lo que hace que las interacciones con el argón sean más complejas y difíciles de entender. "Recopilaremos 10 veces más datos sobre cómo interactúan los neutrinos con el argón que todos los experimentos anteriores combinados", dijo Ornella Palamara, científica de Fermilab y co-portavoz de SBND. "Por lo tanto, los análisis que hagamos también serán muy importantes para DUNE". "Además de usar argón líquido como blanco de neutrinos, SBND y DUNE tienen en común algunos componentes del detector novedosos. La operación de SBND supone un aprendizaje muy valioso como preparación para DUNE." comenta Inés Gil Botella, investigadora del CIEMAT y co-coordinadora de física de DUNE.
