Los neutrinos «fantasmas» ofrecen una nueva vía para estudiar los protones

By Sonrisa Geek / febrero 2, 2023

Los neutrinos son una de las partículas más abundantes de nuestro universo, pero son muy difíciles de detectar y estudiar: no tienen carga eléctrica y casi no tienen masa. A menudo se les denomina «partículas fantasma» porque rara vez interactúan con los átomos.

Pero como son tan abundantes, desempeñan un papel importante para ayudar a los científicos a responder preguntas fundamentales sobre el universo.

En una investigación pionera descrita en Nature -dirigida por investigadores de la Universidad de Rochester-, científicos de la colaboración internacional MINERvA han utilizado por primera vez un haz de neutrinos en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, o Fermilab, para investigar la estructura de los protones.

MINERvA es un experimento para estudiar neutrinos, y los investigadores no se propusieron estudiar protones. Pero su hazaña, que antes se creía imposible, ofrece a los científicos una nueva forma de observar los pequeños componentes del núcleo de un átomo.

«Mientras estudiábamos los neutrinos como parte del experimento MINERvA, me di cuenta de que una técnica que estaba utilizando podría aplicarse a los protones», explica Tejin Cai, primer autor del artículo. Cai, que ahora es investigador postdoctoral asociado en la Universidad de York, realizó la investigación como estudiante de doctorado de Kevin McFarland, catedrático de Física Dr. Steven Chu en Rochester y miembro clave del Grupo de Neutrinos de la Universidad.

«Al principio no estábamos seguros de si funcionaría, pero al final descubrimos que podíamos utilizar neutrinos para medir el tamaño y la forma de los protones que componen los núcleos de los átomos. Es como utilizar una regla fantasma para hacer una medición».

Uso de haces de partículas para medir protones

Los átomos, y los protones y neutrones que componen su núcleo, son tan pequeños que a los investigadores les resulta difícil medirlos directamente. En su lugar, construyen una imagen de la forma y la estructura de los componentes de un átomo bombardeando los átomos con un haz de partículas de alta energía. A continuación, miden la distancia y el ángulo en que las partículas rebotan en los componentes del átomo.

Imagine, por ejemplo, que lanza canicas a una caja. Las canicas rebotarían en la caja en determinados ángulos, lo que permitiría determinar dónde se encuentra la caja -y determinar su tamaño y forma- incluso si la caja no fuera visible para usted.

«Se trata de una forma muy indirecta de medir algo, pero nos permite relacionar la estructura de un objeto -en este caso, un protón- con el número de desviaciones que observamos en distintos ángulos», afirma McFarland.

¿Qué pueden decirnos los haces de neutrinos?

Los investigadores midieron por primera vez el tamaño de los protones en la década de 1950, utilizando un acelerador con haces de electrones en las instalaciones del acelerador lineal de la Universidad de Stanford. Pero en lugar de utilizar haces de electrones acelerados, la nueva técnica desarrollada por Cai, McFarland y sus colegas utiliza haces de neutrinos.

Aunque la nueva técnica no produce una imagen más nítida que la antigua, dice McFarland, puede dar a los científicos nueva información sobre cómo interactúan los neutrinos y los protones, información que actualmente sólo pueden deducir utilizando cálculos teóricos o una combinación de teoría y otras mediciones.

Al comparar la nueva técnica con la antigua, McFarland compara el proceso con ver una flor bajo la luz visible normal y luego bajo la luz ultravioleta.

«Estás viendo la misma flor, pero puedes ver estructuras diferentes bajo los distintos tipos de luz», afirma McFarland. «Nuestra imagen no es más precisa, pero la medición de neutrinos nos proporciona una visión diferente».

En concreto, esperan utilizar la técnica para separar los efectos relacionados con la dispersión de neutrinos en protones de los efectos relacionados con la dispersión de neutrinos en núcleos atómicos, que son colecciones unidas de protones y neutrones.

«Nuestros métodos anteriores para predecir la dispersión de neutrinos en protones utilizaban todos cálculos teóricos, pero este resultado mide directamente esa dispersión», afirma Cai.

McFarland añade: «Al utilizar nuestra nueva medición para mejorar nuestra comprensión de estos efectos nucleares, estaremos en mejores condiciones para llevar a cabo futuras mediciones de las propiedades de los neutrinos.»

Lo imposible se hace posible

También McFarland pensó inicialmente que sería casi imposible utilizar neutrinos para medir con precisión la señal de los protones.

«Cuando Tejin y nuestro colega Arie Bodek (catedrático de Física George E. Pake en Rochester) sugirieron por primera vez intentar este análisis, pensé que sería demasiado difícil», afirma McFarland. «Pero la antigua visión de los protones se ha explorado muy a fondo, así que decidimos probar esta técnica para obtener una nueva visión… y funcionó».

La experiencia colectiva de los científicos de MINERvA y la colaboración dentro del grupo fueron esenciales para llevar a cabo la investigación, afirma Cai.

«El resultado del análisis y las nuevas técnicas desarrolladas ponen de relieve la importancia de ser creativos y colaborar para comprender los datos», afirma. «Aunque muchos de los componentes para el análisis ya existían, juntarlos de la forma correcta realmente marcó la diferencia, y esto no puede hacerse sin que expertos con diferentes conocimientos técnicos compartan sus conocimientos para que el experimento sea un éxito.»

Además de proporcionar más información sobre la materia común que compone el universo, la investigación es importante para predecir las interacciones de los neutrinos para otros experimentos que están tratando de medir las propiedades de los neutrinos. Estos experimentos incluyen el Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), el detector de neutrinos Imaging Cosmic And Rare Underground Signals (ICARUS) y los experimentos de neutrinos T2K en los que participan McFarland y su grupo.

«Necesitamos información detallada sobre los protones para responder a preguntas como qué neutrinos tienen más masa que otros y si existen o no diferencias entre los neutrinos y sus compañeros de la antimateria», afirma Cai. «Nuestro trabajo es un paso adelante para responder a las preguntas fundamentales sobre la física de los neutrinos que son el objetivo de estos grandes proyectos científicos en un futuro próximo».

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