El IFIC presenta una novedosa técnica para medir la masa absoluta de los neutrinos a partir de la observación de explosiones de supernovas

Un equipo del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) prevé que las supernovas pueden ser una fuente para determinar la masa de los neutrinos. Así lo explica un estudio teórico publicado en la revista Physical Review Letters. La confirmación experimental de la propuesta se lleva a cabo en el marco de la colaboración internacional DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), cuyo futuro detector observará, para este trabajo, neutrinos procedentes de explosiones de supernovas.

Los neutrinos son conocidos como las partículas más elusivas. Por sus propiedades únicas, viajan sin obstáculos a lo largo de su trayectoria hasta que, excepcionalmente, interactúan con otras partículas y generan señales observables. Neutrinos procedentes de supernovas –en concreto de SN 1987A, situada en la Gran Nube de Magallanes– han sido observados anteriormente por los detectores de neutrinos de agua Kamiokande-II, IMB y Baksan. La importancia de esta detección fue reconocida con el Premio Nobel de Física de 2002 a Masatoshi Koshiba.

Las supernovas, concretamente las de colapso del núcleo, son uno de los acontecimientos astrofísicos más impresionantes que se producen cuando muere una estrella masiva y emite cantidades ingentes de energía. El colapso se desarrolla en pocos segundos y puede dividirse en tres fases regidas por los principales procesos físicos que ocurren en cada etapa: la neutronización, que consiste en la recombinación de electrones y protones para producir neutrones y neutrinos electrónicos, la acreción, y el enfriamiento. Casi toda la energía que se desprende es liberada a través de neutrinos y antineutrinos de todas las familias y cuya detección podría ayudar a los físicos a ampliar sus conocimientos sobre estas partículas elementales y, en general, sobre nuestro Universo.

“Una de las propiedades de los neutrinos que se pueden estudiar con supernovas es el valor absoluto de su masa, hasta ahora desconocido”, señala Federica Pompa, estudiante de doctorado en el IFIC autora de este trabajo. “Cuanto más masivos son los neutrinos, menos velocidad de propagación en el espacio interestelar tendrán, lo que inducirá un retraso temporal en su detección en la Tierra. Por esta razón, una medida precisa de la energía y del tiempo de detección de los neutrinos de supernova en nuestros detectores puede proporcionar una medida de su masa”. La detección de una veintena de antineutrinos procedentes de SN 1987A ya permitió poner una primera cota superior a la masa de los neutrinos.

En este trabajo, el equipo de investigación del IFIC formado por Federica Pompa, Francesco Capozzi, Olga Mena y Michel Sorel sugiere que el futuro detector DUNE podría ser el primero en captar el estallido de la primera fase del colapso de la supernova, la neutronización, cuya señal es visible solamente en neutrinos (en concreto, neutrinos electrónicos) y no en antineutrinos. El detector DUNE, que explota la tecnología de Cámara de Proyección de Tiempo de Argón líquido, puede observar estos neutrinos electrónicos a través de sus interacciones con los núcleos de Argón del detector. Esto hace que el detector DUNE sea único. Los detectores de neutrinos Cherenkov de agua, tanto los que detectaron SN 1987A como otros futuros, como Hyper-Kamiokande en Japón, son sensibles sobre todo al canal de antineutrinos de la supernova, lo que hace que la detección precisa del estallido de neutronización sea una tarea difícil.

Futuro brillante para la detección de neutrinos de supernovas

La detección de los neutrinos procedentes de la neutronización tiene un papel muy relevante para medir la masa de los neutrinos. Todos ellos son emitidos de forma casi simultánea, en un intervalo de apenas unos 20 milisegundos. De esta manera, constituyen un “reloj estándar” para la medida del retraso en el tiempo de vuelo de los neutrinos causada por su masa.

Esto implica que cuando se produzca el próximo colapso de una supernova en nuestra vecindad galáctica, DUNE podría alcanzar una sensibilidad a la masa de los neutrinos unas cinco veces mejor que lo obtenido hasta el momento, lo que hace que esta técnica sea bastante competitiva con las búsquedas directas de masa de neutrinos en experimentos llevados a cabo en laboratorios.

Conocer la masa de los neutrinos supondría un gran avance en la física moderna, pues pondría en jaque el tan asentado Modelo Estándar ya que este las contempla, pero no las dota de masa. Revolucionaría la física moderna, pues supondría aceptar que los neutrinos tienen masa, algo que no reconoce el Modelo Estándar. Además, a diferencia del resto de las partículas elementales, su masa es mucho más pequeña, y esto podría indicar a un nuevo mecanismo en la naturaleza que diera origen a las masas de los neutrinos.