La anomalía de los antineutrinos en los reactores nucleares y los neutrinos estériles

Hay muchas noticias científicas de las que no nos hemos hecho eco en este blog, pero quizás tendríamos que haberlo hecho. En enero estuve a punto de hablar del artículo de G. Mention et al., “The Reactor Antineutrino Anomaly,” Phys. Rev. D 83: 073006, 2011 (ArXiv preprint, 14 Jan. 2011). Un artículo citado más de 40 veces en ArXiv y una de las noticias más importantes del año en cuanto a la física de los neutrinos (junto al descubrimiento de que el ángulo θ13≠0). Los autores de este estudio descubrieron una anomalía sin explicación tras mejorar las técnicas para la predicción teórica de los resultados en su artículo Th.A. Mueller et al., “Improved Predictions of Reactor Antineutrino Spectra,” Phys. Rev. C 83: 054615, 2011 (ArXiv preprint, 14 Jan. 2011). Quizás sea buen momento de retomar esta cuestión, que he recordado por los recientes comentarios de Juan F. González Hernández en una entrada anterior. Por cierto, la noticia apareció ya en muchos medios gracias a Eugenie Samuel Reich, “The amazing disappearing antineutrino,” News, Nature, Published online 1 April 2011.

La producción de antineutrinos en los reactores nucleares es debida a la desintegración beta, la transformación de un neutrón en un protón en el interior del núcleo inestable de un elemento radiactivo con la consiguiente emisión de un electrón y un antineutrino, con lo que el nucleido (A,Z) se transforma en (A,Z+1). Un análisis de 19 resultados publicados sobre el flujo de neutrinos en reactores nucleares ha encontrado un defecto en el flujo de antineutrinos en los detectores que se encuentran a menos de 100 metros del reactor. Un defecto del orden del 3% en el flujo de antineutrinos producido por los isótopos radiactivos 235U, 239Pu, 241Pu y 238U. El nuevo artículo afirma que el cociente entre la tasa de eventos observada y la predicha es de 0,943±0,023, que implica una desviación respecto a la unidad con una nivel de confianza del 98,6% (2,2 σ). ¿Qué puede explicar esta anomalía? Obviamente, podemos ser malos y pensar que los nuevos cálculos teóricos de Th.A. Mueller et al. para la tasa de emisión de antineutrinos por reactores ocultan algún fallo que nadie ha sabido ver aún (los cálculos previos no predecían la anomalía conduciendo a 0,976±0,024). Otra posibilidad es que la anomalía observada, de solo 2,2 σ de confianza, podría ser una fluctuación estadística o el efecto de errores sistemáticos; hay que recordar que menos de 100 metros es una distancia muy corta para observar oscilaciones de neutrinos; aunque en descargo de los autores, que una fluctuación estadística esté correlacionada en 19 experimentos diferentes parece poco probable. Finalmente, la posibilidad más interesante es que estemos ante una señal de nueva física más allá del modelo estándar.

Mention et al. han estudiado la posibilidad de que la anomalía que han observado tenga su origen en la existencia de un cuarto neutrino estéril (los neutrinos faltantes oscilarían (cambiarían de tipo/sabor) a dicho neutrino). Combiando sus nuevos resultados con los de los experimentos GALLEX-I, GALLEX-II, SAGE-Cr, SAGE-Ar y MiniBooNE confirman dicha hipótesis (descartan la hipótesis contraria de que no haya oscilación al 99,8% C.L. o con una confianza de 3 σ). El problema con la existencia de este neutrino estéril es que su existencia junto a la anomalía de antineutrinos descartan al 90% C.L. que el ángulo θ13>0 (el otro gran resultado de este año en física de neutrinos que contamos en “Los seis neutrinos que cambiaron el mundo“). Sin embargo, no todos los físicos están de acuerdo con este análisis de Mention et al. Por ejemplo, Schwetz et al. afirman que la anomalía es compatible con θ13>0 con una confianza de 1,8 σ, y Fogli et al. que afirman que es compatible con sin2 θ13= 0,025 ± 0,007 con una confianza de 1 σ.

Cualquier evidencia de nueva física más allá del modelo estándar introduce una chispa en la mente de los físicos teóricos que no pueden evitar ofrecer soluciones “exóticas” (quizás sea parte de la genética de los físicos teóricos). Por ejemplo, la anomalía de los antineutrinos en los reactores podría estar causada por las dimensiones extra del espaciotiempo, como nos propone Pedro A.N. Machado et al., “An Alternative Interpretation for the Gallium and Reactor Antineutrino Anomalies,” ArXiv preprint, 12 Jul. 2011; ver también P.A.N. Machado, “Large extra dimensions and neutrino oscillations,” NuFact Aug 06, 2011.

Ya hemos hablado de neutrinos estériles en varias ocasiones en este blog (tanto a favor, como en contra de su existencia). Los fermiones con masa, partículas de espín 1/2 como el electrón, tienen dos componentes de helicidad definida, eL y eR; sin embargo, los fermiones sin masa pueden tener una sola componente de helicidad definida, como se pensaba que pasaba con los neutrinos antes de que se descubriera que tenían masa, νeL, νμL y ντL. Ahora que sabemos que los neutrinos tienen masa, luego tienen que existir sus componentes νeR, νμR y ντR. Hay dos posibilidades, que el neutrino sea una partícula de Dirac, como el electrón, o que el neutrino sea una partícula de Majorana (en cuyo caso sería idéntica a su antipartícula). La mayoría de los físicos teóricos prefieren esta última posibilidad, pero los datos experimentales todavían no han podido verificarla. Un neutrino estéril νsL sería un neutrino anti-νR de baja masa que no interacciona mediante las interacciones fundamentales del modelo estándar (las interacciones electrodébil y cromodinámica), pero que puede oscilar con los otros tres neutrinos.

La física de los neutrinos es una de las ramas de la física de partículas más excitantes en estos momentos que promete gran número de sorpresas en la presente década. Una de estas sorpresas podría ser el descubrimiento de la existencia de los neutrinos estériles que podrían ser la antesala a efectos más exóticos (como la violación de la simetría CPT). Los neutrinos estériles también podrían ser un candidato a explicar la materia oscura del universo (no sería materia oscura caliente, solo cálida o warm dark matter), aunque tendrían que tener una masa mucho mayor de 1 eV y los datos cosmológicos apuntan a que la suma de las masas de todos los neutrinos (incluidos los estériles, si existen) es inferior a 1 eV. De hecho, los datos del fondo cósmico de microondas de WMAP-7 son compatibles con la existencia de 3+1 neutrinos (aunque no descartan que haya solo 3 neutrinos). Además, resultados preliminares de IceCube se interpretan mejor con 3+1 neutrinos, aunque tampoco descartan que haya solo 3 neutrinos. Muchos resultados experimentales están a favor de la existencia de los neutrinos estériles y muchos otros están en contra. De hecho, hay quien a propuesto un modelo 3+2, con dos neutrinos estériles como una solución de compromiso que evitaría muchas de las dificultades en contra de la existencia de un solo neutrino estéril (como J. Kopp et al., “Are there sterile neutrinos at the eV scale?,” ArXiv preprint, 23 Mar 2011).


8 Comentarios

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Juan F. González Hernández

Como estoy precisamente metido en el ajo, sufriendo y disfrutando al mismo tiempo de los neutrinos. Comentaré los dos comentarios anteriores por partes:

1. Que los neutrinos sean el sitio a invertir, solamente citaré un ejemplo muy claro. U.S.A. no tenía nada de infraestructura en neutrinos y en muy poco tiempo MINOS y NOvA. Los gringos saben donde hay que meter la pasta y en España y la unión europea a verlas venir. Bueno, afortundamente no, hay varios proyectos. Pero hay que espabilar. Los japoneses llevaban ventaja tremenda y USA ya está al acecho. Lo preocupante es que China e India se han metido también( China ha tardado relativamente poco en montar Daya Bay, India tardará algo más para tener INO), y contra el potencial humano que tienen hay poco que hacer salvo calidad en la UE si se hicieran las cosas bien sería la única forma. Los rusos andan algo parados, pero tuvieron un experimento en Baikal que aún sigue. Y luego los proyectos internacionales. Eso, a título de inversiones. ¿Aplicaciones? Pioneros los japoneses: geosismología con neutrinos ( me sorprendió mucho que no funcionaran su red de alerta en el día del tsunami/terremoto, pues ellos ahí son los amos, pero uno terreomoto de grado 9 no lo hubiera aguantado California, Japón ahí sigue, aunque por la radiación va estar jodido durante décadas), y una nueva ventana de observar el UNiverso. Si hemos mirado en el visible, en el infrarrojo, en el ultravioleta, los rayos gamma, y otras longitudes de onda ¿qué puede aportar la astrofísica y cosmología de neutrinos? Bueno, para empezar: alerta de supernovas cercanas ( y otros fenómenos violentos con emisión de neutrinos; es importante tener un mecanismo de alerta frente a explosiones cósmicas cercanas, ¿NO?), y la búsqueda de nueva física en un sector que el Modelo Estándar dice que no debería ser así ( el Modelo Estándar predice neutrinos sin masa) así que los neutrinos masivos ( debido a las oscilaciones) son la primera prueba de física más allá del modelo Estándar, así que la Astronomía de neutrinos va a ser popular durante bastantes años. A nivel de tecnología de aceleradores ( que es vital por ejemplo en los futuros perfeccionamientos de tratamientos menos invasivos contra el cáncer) los neutrinos se pueden originar en: beta beam facilities ( laboratorios de rayos beta), neutrino factories ( fábricas de neutrinos), y más allá, pues esta última clase de instalaciones se ve como una prueba a baja escala, está en el horizonte el mítico colosionador de muones que operará a muchísima más energía que LHC, su upgrade, o el colisionador lineal ILC ( que también podrá operar en modo colisionador fotón en uno de sus diseños de desarrollo). Todo el mundo se está apuntando a los neutrinos porque precisamente ¡los entendemos mucho peor que el resto de partículas! Además, me gustaría resaltar que hay una clasificación algebraica de espinores poco conocida en la que hay espinores que no son ni de Dirac, ni de Majorana, y que no me sorprendería nada que algo apareciera en el LHC si somos suficientemente afortunados ( aunque soy excéptico y pienso que la información más relevante vendrá de Astrofísica de neutrinos, como la supernova que se descubrió “ayer”, de neutrinos que aparezcan en los rayos cósmicos de muy alta energía -el acelerador de partículas de la Naturaleza libre que da mil vueltas a los nuestros- o cuando seamos capaces de mapear la radiación de fondo de neutrinos y no la de microondas, quizás pueda darnos pistas sobre una fase de evolución del Universo que no entendemos para nada; idea de Murayama es que quizás los neutrinos pueden sondear la escala de Planck ). Así que sí, el campo de neutrinos ha “explotado” y ser puntero en él significa dinero, tecnología y lo que ello conlleva para la sociedad.

2. Las anomalías en el sector neutrino son precisamente una prueba de que no los entendemos bien. Suponiendo que todo esté bien claro, pues los nuevos datos de MINOS, por ejemplo, parecen consistentes con CPT más que antes. Aunque los nuevos datos son preliminares y no están claros para nada. El que neutrinos y antineutrinos tuvieran diferente masa sería un descubrimiento alucinante, aunque parece improbable ( ojo, no digo imposible) si creemos en la validez universal de las teorías gauge locales. La consecuencia sería también importante para la fenomenología de oscilaciones, ya que neutrinos y antineutrinos podrían “mezclarse”. Si ya son una locura los modelos actuales y los hipotéticos, la violación de CPT tendría un impacto brutal en el terreno teórico ( las teorías supersimétricas estándar imponen CPT al espectro de partículas).

Y para finalizar mi comentario, las ideas más locas que hay sobre neutrinos publicadas en arXiv y menos conocida son:

1) Propulsión mediante neutrinos ( neutrino drive) .
2) Búsqueda y comunicación con civilizaciones ET mediante neutrinos.
3) Neutrinos como taquiones ( algo abandonada tras la interpretación de oscilaciones del problema del neutrino solar).

El uso de un haz de neutrinos como arma seguro que también se le ha pasado por la cabeza a más de uno en las altas esferas del DARPA y otros departamentos de defensa de países poderosos.

Personalmente, pienso que 1) 2) y el uso potencial de neutrinos de alta energía como arma ¿sísmica? e instrumento de comunicación avanzado es lo que ha llevado a USA a ponerse con ellos ( igual que Rusia, Japón, China, India,…).

Juan F. González Hernández

¿Qué pienso? Que está bien, pero es especulativo, como la teoría de (super)cuerdas, la teoría M, LQG, la gravedad y la Mecánica Cuántica como algo emergente, los preones, el Higgs, el tecnicolor, las dimensiones extra, los twistores, … Ninguna predicción de ellos o de SUSY ha sido confirmada aún. Y eso debería retorcer las tripas de más de un teórico. Yo me tiro de los pelos cuando sale un rumor poco serio y lo inflan. Confieso que antes era más apasionado ( supongo que es lo que hace hacerse mayor) por datos dudosos. Atención a MINOS que parece que “verifica” T2K. Ninguno tiene datos a 5 sigmas, para eso habrá que esperar meses o años dependiendo de cómo esté la economía y el trabajo.
No conocía ese paper, es imposible conocer todos los modelos, pero parece interesante y al mismo tiempo contradictorio con ideas previas.

El CidEl Cid

Descubrí el paper porque tuvo cierta resonancia en la blogosfera cuando fue publicado. De todas formas le dieron mucho bombo y ahora parece que se han olvidado un poco de él. Por cierto, yo solo soy un curioso del problema de la gravedad cuántica que no entiende ni j del mismo. Sin embargo si detecto cierto pesimismo en la comunidad de física teórica sobre la evolución de esta rama de la ciencia. Desde mi punto de vista (i.e. la de un lego en la materia) hay que tener en cuenta que la física de partículas y la física gravitatoria cuentan con teorías casi perfectas que consiguen explicar mucho de lo medible con una precisión increíble.¿Para que queremos explicar lo no medible? El hecho de querer construir una metateoría, la ansiada teoría del todo para resolver todos los problemas de la física fundamental de un plumazo, quizás no sea el camino más adecuado para la física teórica en este momento. No creo que se trate de todo o nada. ¿Por qué proponer teorías tan sofisticadas cuando hay temas importantes en los que trabajar como la medida de la masa de los neutrinos, calcular analíticamente el confinamiento de la carga color, la naturaleza de la materia oscura y de la energía oscura, o la búsqueda del bosón de Higgs (por cierto, para mi el Higgs no es especulación sino la predicción más espectacular del modelo estándar)? Dicho esto. Como lego curioso que soy, estoy encantado de poder observar el debate de los científicos en su búsqueda por la teoría final. Gracias por la respuesta.

El CidEl Cid

Por cierto la física de los neutrinos y los experimentos MINOS, T2K, … son la parte fundamental de la física de las partículas elementales durante la primera mitad del siglo XXI. Conocer bien los neutrinos es fundamental para cerrar el monumental trabajo realizado con el modelo estándar y también es necesario para la cosmología. Estoy convencido de que la física de neutrinos ganará protagonismo en los medios una vez que se haya descubierto el bosón de Higgs en los próximos años. La supersimetría es demasiado bonita como para ser cierta, no creo que exista ni tampoco se necesita, es más efectista que efectiva. La teoría de cuerdas, LQG y otras teorías del todo tienen un valor incalculable para entretener a los legos, espero que no entretengan demasiado a los científicos.

45cr Charliec

La verdad es que los neutrinos es un campo muy prometedor, se podrìa decir que es una fìsica aparte y leyendo los comentarios me parece que estoy en el blog de la fìsica de ciencia ficciòn.

Juan F. González Hernández

A El Cid. Sobre el problema de la unificación de fuerzas o el “espumoso” y “borroso” campo de la gravitación cuántica:

1) Unificación de fuerzas: imprescindible debido al asunto de los neutrinos y de la inconsistencia del Modelo Estándar. El sector de ruptura electrodébil, de no hallarse el Higgs, hace imprescindible casi una conexión más profunda entre las fuerzas.
Si fuera un problema sencillo, estaría ya hecho, pero está claro que no lo es.

2) La gravitación cuántica es casi anatema ahora después de las últimas publicaciones sobre búsqueda de ruptura de la invarianza Lorentz. Veremos. Todo el mundo que piensa que existe la gravitación cuántica parte de una premisa simple, y es que la teoría cuántica es correcta sin modificaciones a todas las escalas de energía. Y eso, no parece razonable. Es cierto que hay teoremas bastante poderosos sobre cómo se pueden modificar las relaciones de dispersión energía momento ( la cuestión es esencial en las relatividades especiales con dos y tres escalas invariantes) pero la Naturaleza se esfuerza en parecer invariante Lorentz casi tanto como se esfuerza en ocultar el bosón de Higgs, la materia o la energía oscuras.

Una cosa está clara, cuando se abra la lata de lo que sea que haya en la escala TeV, y de lo que parece que los neutrinos quieren decirnos, entonces va a ser un momento mucho más interesante que esta espera insoportable. El Modelo Esandar está muerto desde que se descubrió el fenómeno de la oscilación del neutrino. La gente se está preocupando mucho por el sector de Higgs, pero si se cumplen los escenarios más pesimistas el LHC podría estar dedicado a encontrar Higgs y medir su interacción con el top. Es evidente que no pienso que lo más pesimista se cumple ni por asomo, sobre todo por los datos de los neutrinos pienso que habrá muchas sorpresas, pero no se van a encontrar donde la gente espera que las van encontrar.

Particularmente, si la gravedad y la Mecánica cuántica son “emergentes”, sería muy divertido. Hay problemas con eso, pero si uno piensa que, por ejemplo, la física de agujeros negros, su termodinámica, indica que tienen un montón de microestados pero que escalan como el área y no como el volumen ( el principio holográfico de ‘t hooft), la cuestión más acuciante y que está en diferentes formas en la “gravedad cuántica”, SUGRA, M-theory,…¿Qué son los microestados de los agujeros negros?

Y esa es una de las preguntas que sólo hoy no podemos aún responder…Más que en ciertos modelos de juguete ( con mucha SUSY o con loops)…

Y al último post: “La realidad supera siempre a la ficción más increible”

Juan F. González Hernández

Y una cosa más: sobre que son muy precisas tanto el Modelo Estándar o la Relatividad General en el caso de la gravedad, muy bien. Y hacemos tests a las teorías y vemos cómo se ajustan los datos a ellas. Salvo cuando encontramos anomalías. Curiosamente, en Física de partículas no se han destacado mucho las anomalías en el sector de neutrinos y otros pocas que hay tanto en QED, en EW ( hallar el Higgs ante todo), y en QCD ( aunque parece una teoría casi perfecta, sobre todo formulada en el retículo-lattice, tiene sus problemas). La gente lo que ha hecho hasta ahora es ajustar los datos al model estándar y siempre se ha podido en casi todo caso, pero no es el final de la historia.
En el caso de la gravedad, el problema de la energía y materia oscura hacen virtualmente necesaria una modificación de la gravedad, pero sin embargo las medidas sobre cúmulos de galaxias parecen poner a esta opción en problemas. Y claro, enfrentarse al problema de por qué construir una teoría mejor parece ridículo, pero si nos retrotraemos un poco:

1) Entender los fenómenos eléctricos y magnéticos creó el electromagnetismo, un siglo y medio después ¿debo mencionar todo lo que el electromagnetismo hace por nosotros? Faraday, ante la pregunta de un político que visitó sus laboratorios sobre para qué servían sus instrumentos e investigaciones “No lo sé. Pero un día, usted cobrará impuestos por ellos”. ¿Qué nos deparará la teoría electrodébil y fuerte más allá de las aplicaciones actuales de la radiación. Predecir el futuro es complicadísimo pero…¿”Radiografías con neutrinos”, “neutrino terapia”, “avances en comunicaciones y motores”…? Las aplicaciones de los quarks parecen lejanas hoy día, pero ¿quién sabe?

2) Entender una teoría cuántica de la gravedad, sea lo que sea ella, significaría entender el origen microscópico del continuo espacio-tiempo, y no puedo imaginar lo que eso puede acarrear, a pesar que que la ciencia-ficción da imágenes limitadas y probablemente algo irreales en algunos casos( y totalmente imaginarias en otros)

O sea, que tener teorías mejores y más unificadas lleva aparejadas consigo muchas aplicaciones tecnológicas y humanas.
No es cuestión sólo de precisión, es tener nuevas teorías para avanzar tecnológicamente y evolucionar como especie.

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