La detección de un antineutrino demuestra una teoría de la física de hace 60 años
Un telescopio enterrado en la Antártida registró la colisión de la partícula de alta energía llegada del espacio exterior contra la Tierra
El 6 de diciembre de 2016, una partícula subatómica de alta energía llegada del espacio exterior se estrelló contra la Tierra a una velocidad cercana a la de la luz. Se trataba de un antineutrino , algo así como el gemelo de antimateria del ... neutrino, una partícula muy débil que apenas tiene masa. El evento es extraordinario, porque estas partículas son casi fantasmales, atraviesan todo lo que se encuentran, incluidos planetas y nosotros mismos, sin que nos demos cuenta y son muy difíciles de detectar. Pero este antineutrino-electrón (uno de los tres tipos de antineutrinos conocidos) chocó contra un electrón en las profundidades de la capa de hielo en el Polo Sur, lo que produjo una nueva partícula que se descompuso rápidamente en una lluvia de partículas secundarias , activando los sensores del Observatorio de Neutrinos IceCube, un enorme telescopio enterrado en el glaciar antártico.
Lo que IceCube había visto es un evento de resonancia de Glashow , un fenómeno predicho por el físico premio Nobel Sheldon Glashow en 1960. Con esta detección, los científicos han proporcionado otra confirmación del Modelo Estándar de física de partículas .
Sheldon Glashow propuso por primera vez esta resonancia en 1960 cuando era investigador postdoctoral en lo que hoy es el Instituto Niels Bohr en Copenhague, Dinamarca. Allí, escribió un artículo en el que predijo que un antineutrino podría interactuar con un electrón para producir una partícula aún no descubierta a través de un proceso conocido como resonancia. Pero el antineutrino debía tener una energía precisa para producir esta resonancia.
Cuando la partícula propuesta, el bosón W-minus, fue finalmente descubierta en 1983, resultó ser mucho más pesada de lo que Glashow esperaba en 1960. La resonancia requeriría un neutrino con una energía de 6,3 petaelectronvoltios , casi 1.000 veces más enérgico de lo que es capaz de producir el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Ningún acelerador de partículas hecho por humanos en la Tierra, actual o planeado, puede crear un neutrino con tanta energía.
Sin embargo, las enormes energías de los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias y otros eventos cósmicos extremos sí pueden generar partículas con energías imposibles de crear en la Tierra. Tal fenómeno probablemente fue responsable del antineutrino que llegó a IceCube en 2016, que se estrelló contra la Tierra con una energía de 6,3 PeV, precisamente como predijo la teoría de Glashow.
«Cuando Glashow era un postdoctorado en Niels Bohr, nunca podría haber imaginado que su propuesta poco convencional para producir el bosón W-minus sería realizada por un antineutrino de una galaxia lejana chocando contra el hielo de la Antártida», dice Francis Halzen, investigador principal de IceCube y profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Madison, la sede de operaciones y mantenimiento de IceCube.
Desde que IceCube comenzó a funcionar plenamente en mayo de 2011, el observatorio ha detectadocientos de neutrinos astrofísicos de alta energía y ha producido una serie de resultados significativos en astrofísica de partículas, incluido el descubrimiento de un flujo de neutrinos en 2013 y la primera identificación de una fuente de neutrinos astrofísicos en 2018 . El evento de resonancia de Glashow es digno de mención debido a su energía extremadamente alta. Es solo el tercer evento detectado por IceCube con una energía superior a 5 PeV.
Diferencias con los neutrinos
La investigación, publicada en la revista 'Nature' , también puede esclarecer las diferencias entre neutrinos y antineutrinos. «Mediciones anteriores no han sido sensibles a la diferencia entre neutrinos y antineutrinos, por lo que este resultado es la primera medición directa de un componente antineutrino del flujo de neutrinos extraterrestres», dice Lu Lu, de la Universidad de Chiba en Japón, ahora en UW-Madison, uno de los principales autores. Los resultados del experimento T2K (Tokai to Kamioka), un ambicioso proyecto que lanza neutrinos desde la ciudad de Tokai, en Japón, hasta un detector situado en Kamioka, a 295 kilómetros de distancia, sugirieron el pasado año que los neutrinos y los antineutrinos no se comportan de la misma forma, lo que indica que estas partículas podrían estar detrás del misterioso desequilibrio entre materia y antimateria en el universo.
«Hay una serie de propiedades de las fuentes de neutrinos astrofísicos que no podemos medir, como el tamaño físico del acelerador y la fuerza del campo magnético en la región de aceleración», apunta Tianlu Yuan, científico asistente del Centro de Astrofísica de Partículas IceCube de Wisconsin y otro analizador principal. «Si podemos determinar la relación neutrino-antineutrino, podemos investigar directamente estas propiedades».
Para confirmar la detección y hacer una medición decisiva de la relación neutrino - antineutrino, los investigadores quieren ver más resonancias de Glashow. Una expansión propuesta del detector IceCube, IceCube-Gen2, permitiría a los científicos realizar tales mediciones de una manera estadísticamente significativa. La colaboración anunció recientemente una actualización del detector que se implementará en los próximos años, el primer paso hacia IceCube-Gen2.
«Para estar absolutamente seguros, deberíamos ver otro evento de este tipo con la misma energía que el que se vio», dice el propio Glashow, ahora profesor emérito de física en la Universidad de Boston. «Hasta ahora hay uno, y algún día habrá más»
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