Detectan, por primera vez, 'partículas fantasma' en el gran colisionador de Ginebra

A pesar de que se trata solo de seis detecciones, llevadas a cabo en 2018 durante la fase de pruebas de un nuevo y pequeño sub detector llamado FASER, la hazaña demuestra la viabilidad de esa tecnología y abre una vía totalmente nueva para estudiar esas misteriosas partículas en el rango de las altas energías. Ahora, los investigadores han terminado de poner a punto una versión mayor y más sensible de ese instrumento, el FASERnu.

"Antes de este proyecto -explica Jonathan Feng, coautor de un estudio recién publicado en 'Physical Review D' - nunca se había visto ninguna señal de neutrinos en un colisionador de partículas. Este significativo avance es un paso hacia el desarrollo de una comprensión más profunda de estas escurridizas partículas y el papel que desempeñan en el Universo".

Los neutrinos están, literalmente, por todas partes. De hecho, se trata probablemente de las partículas subatómicas más abundantes del Universo. Miles de millones de ellos atraviesan nuestro cuerpo, y el resto del planeta, a cada segundo sin que ni siquiera nos demos cuenta de ello. Los neutrinos no llevan carga eléctrica (de ahí su nombre) y su masa es prácticamente nula, por lo que se desplazan por todo el Universo casi a la velocidad de la luz y sin apenas interactuar con él. Para un neutrino, el resto del Universo es algo incorpóreo que no le afecta prácticamente nunca. De ahí que sean conocidos también como 'partículas fantasma' extremadamente difíciles de detectar.

A pesar de ello, en algunas ocasiones y utilizando costosos instrumentos, los científicos han conseguido captar alguna de sus raras interacciones con el resto de la materia. Detectores como Gran Sasso en Italia, IceCube en la Antártida o Super-Kamiokande en Japón utilizan miles de fotodetectores ultra sensibles especialmente diseñados para captar las lluvias de luz que surgen cuando un neutrino interactúa con otras partículas en un entorno completamente oscuro y aislado, a menudo en laboratorios subterráneos, enterrados a cientos de metros de profundidad y debajo de altas montañas.

Sin embargo, y desde hace ya varias décadas, los físicos también han tratado, sin éxito, de capturar los neutrinos que se generan durante las colisiones de partículas en los grandes aceleradores. A diferencia de los emitidos por el Sol o por otras fuentes astronómicas, los neutrinos de colisión se generan a energías muy altas y no demasiado bien estudiadas. Por eso, la detección de neutrinos de colisión puede poner al alcance de los científicos energías y tipos de neutrinos que son casi imposibles de observar en otros lugares.

El instrumento FASERnu es lo que se conoce como detector de emulsión. Está formado por placas de plomo y tungsteno que se alternan con capas de emulsión. Durante las colisiones de partículas en el LHC, los neutrinos pueden chocar con los núcleos de las placas de plomo y tungsteno, produciendo partículas que dejan huellas en las capas de emulsión y que resultan visibles tras el 'revelado' de las placas.

Según Feng, la emulsión funciona de manera similar a la fotografía de la era anterior a las cámaras digitales. Cuando una película de 35 milímetros se expone a la luz, los fotones dejan huellas que se forman patrones cuando se revela la película. Los investigadores de FASER también pudieron ver las interacciones de los neutrinos después de eliminar y desarrollar las capas de emulsión del detector.

"Habiendo verificado (en 2018) la efectividad del enfoque del detector de emulsión para observar las interacciones de los neutrinos producidos en un colisionador de partículas, el equipo de FASER ahora está preparando una nueva serie de experimentos con un instrumento completo que es mucho más grande y significativamente más sensible", dijo Feng.

En la prueba piloto de FASER de 2018, se registraron seis interacciones de neutrinos candidatos en las capas de emulsión. Puede que no parezcan muchos, teniendo en cuenta la cantidad de partículas que se producen en una colisión típica en el LHC, pero fueron suficientes como para proporcionar al equipo dos claves importantes. En palabras de Feng, "primero, verificamos que la posición del detector, delante del punto de interacción ATLAS en el LHC, es la ubicación correcta para detectar neutrinos de colisión. Y en segundo lugar, nuestros esfuerzos demostraron la eficacia de utilizar un detector de emulsión para observar este tipo de interacciones de neutrinos".

El detector de prueba utilizado hace tres años era relativamente pequeño y pesaba menos de 30 kg. Pero la nueva versión, que los investigadores acaban de terminar de poner a punto, pesa más de 1.100 kg y será mucho más sensible, distinguiendo entre los varios tipos de neutrinos conocidos y sus correspondientes antineutrinos. Feng y sus colegas esperan que la tercera ronda de colisiones del LHC, prevista para 2022, produzca alrededor de 200.000 millones de neutrinos electrónicos, seis billones de neutrinos muónicos y 9.000 millones de neutrinos tau. De todos ellos, los investigadores esperan poder detectar alrededor de 10.000. Según explica David Casper, coautor del estudio, "detectaremos los neutrinos de mayor energía que jamás se hayan producido a partir de una fuente creada por el hombre". La información que revelen podría ser decisiva para comprender aspectos del funcionamiento del Universo que hoy por hoy se nos escapan.