Borexino observa una modulación anual de los neutrinos solares

Dibujo20170203 borexino beta rate annual modulation arxiv org

El detector de neutrinos solares Borexino, Laboratorio Nacional de Gran Sasso, Italia, tras cuatro años, ha observado una modulación anual en los neutrinos solares 7Be al 99,99% C.L. Este detector estudia los neutrinos solares con energía inferior 3 MeV desde el año 2007. Borexino es famoso porque en 2014 publicó en Nature la detección de los neutrinos producidos en la primera reacción pp en el núcleo del Sol [LCMF 27 Dic 2014]. Las primeras señales de una modulación anual en el flujo de neutrinos solares fueron observadas por SNO y por Super-Kamionkande. Pero la certeza estadística no era tan alta.

El artículo es Borexino Collaboration, “Seasonal Modulation of the 7Be Solar Neutrino Rate in Borexino,” arXiv:1701.07970 [hep-ex]. Las señales previas en SNO Collaboration, “A Search for Periodicities in the 8B Solar Neutrino Flux Measured by the Sudbury Neutrino Observatory,” Phys. Rev. D 72: 052010, 2005, doi: 10.1103/PhysRevD.72.052010, arXiv:hep-ex/0507079, y Super-Kamiokande Collaboration, “Solar neutrino measurements in Super-Kamiokande-I,” Phys. Rev. D 73: 112001, 2006, doi: 10.1103/PhysRevD.73.112001, arXiv:hep-ex/0508053.

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Una oscilación anual en el flujo de neutrinos solares conforme la Tierra orbita el Sol parece lo más razonable del mundo. Sin embargo, para mi sorpresa, su periodo coincide con la modulación anual DAMA/LIBRA. Esto no estaba nada claro a partir de los indicios previos de SNO y Super-Kamionkande. Por supuesto, el artículo científico no dice nada al respecto. Quizás no tiene por qué. Pero, ¿significa algo esta coincidencia? Hypotheses non fingo. Los miembros de DAMA/LIBRA juran y perjuran que los neutrinos solares no tienen nada que ver con su modulación anual (R. Bernabei, P. Belli, …, Z. P. Ye, “No role for neutrons, muons and solar neutrinos in the DAMA annual modulation results,” The European Physical Journal C 74: 3196 (2014), doi: 10.1140/epjc/s10052-014-3196-5, arXiv:1409.3516 [hep-ph]). Según ellos la causa no puede ser otra que la misteriosa materia oscura (p. ej. R. Cerulli, P. Villar, …, Z. Berezhiani, “DAMA annual modulation and mirror Dark Matter,” arXiv:1701.08590 [hep-ex]).

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12 Comentarios

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PabloPablo

¿Cómo es posible que haya una modulación anual en los neutrinos solares? Dado que el sol tiene rotación, no puede ser que dicha modulación tenga que ver con la estructura del propio Sol, ¿me equivoco?
¿No puede ser que la modulación DAMA/LIBRA se deba efectivamente a la materia oscura y que los neutrinos también interactúen con ella?
Sea lo que sea, la causa debe estar en algo que se encuentre estático en el marco de referencia de la órbita terrestre alrededor del Sol, ¿no?

Quiero aprovechar este comentario para decirte que llevo mucho tiempo siguiendo tu blog, al igual que otros de divulgación científica, y quería darte la enhorabuena tanto por la labor que estás haciendo como por la calidad de tus artículos. Muchas gracias. :)

Francisco R. Villatoro

Pablo, el artículo de Borexino no discute las posibles causas. Pero la más obvia es el cambio anual de la distancia Tierra-Sol, que afecta a la oscilación de los neutrinos: su “sabor” (tipo) cuando nacen en el interior del Sol, cambia de forma oscilatoria mientras están dentro del Sol (efecto MSW, por Mikheyev–Smirnov–Wolfenstein) y también mientras se propagan por el espacio vacío hasta nosotros; el resultado final (“sabor” medido en el detector) depende de la distancia total recorrida.

Los físicos de DAMA/LIBRA han negado muchas veces que los neutrinos o los muones puedan ser responsables de sus observaciones. El problema es que su modulación exige una partícula WIMP con masa y propiedades que han sido descartadas por otros detectors. Por tanto, o es una WIMP muy, pero muy rara, que escapa a otros detectores. O hay un error sistemático en el detector que está afectando a sus medidas.

David BDavid B

Expandiendo un poco la respuesta de Francis: el resultado es totalmente consistente, dentro de los márgenes de error, con una modulación puramente geométrica (de en torno al 7%, ~1/r^2) por la excentricidad de la órbita terrestre.

Aprovecho para notar que esto implica que el efecto MSW, en el caso de los neutrinos solares, NO afecta a esta modulación anual, aunque haya un cambio en la distancia detector-fuente (baseline L).

Esto se debe a que la “probabilidad de supervivencia” (un parámetro que indica la probabilidad que tienes de detectar un neutrino de un “sabor” determinado habiendo sido emitido como ese mismo “sabor”) se homogeniza y SOLAMENTE depende de la energía E del neutrino en cuestión, en lugar de L/E como en otros casos más conocidos. Está muy bien explicado con detalle en, por ejemplo, “Fundamentals of Neutrino Physics and Astrophysics” de Giunti. El resultado se ve en esta imagen: https://inspirehep.net/record/120362...les/lma.png

La mayor importancia de este resultado es que demuestra el origen solar de los neutrinos que detectamos en Borexino, y descarta ciertos modelos basados en Interacciones No-Standard (NSI)… por supuesto, también es sospechoso que la modulación de DAMA sea anual, pero puede que venga dada por el mismo efecto estacional (como Francis reportó por aquí hace unos años, se propusieron interacciones (standard) de los neutrinos solares de alta energía como razón, pero parece que lo refutaron) o por materia oscura que viene con más “fuerza” de una parte del cielo que de otra.

David BDavid B

Añado como puntilla pedante :) que, en rigor, hay una pequeña contribución MSW en el flujo de neutrinos solares que SÍ cambia con L, pero es demasiado pequeña para ser medida.

Los neutrinos solares salen del Sol preminentemente en el autoestado/estado propio de MASA (en el vacío) nu_2, que por ello no oscila en el vacío. Sin embargo, esto utiliza la aproximación de 2 sabores (electrónico (nu_e) y x-ónico (nu_x), este último compuesto por una combinación lineal de muónico y tauónico), que efectivamente no oscilla. Pero claro, la componente x-ónica no es pura, sino compuesta por dos estados de sabor, que sí oscilan con el MSW “de toda la vida”, con dependencia L/E. Esta componente es tan minoritaria en la señal de Borexino, de todas formas, que no es detectable.

David BDavid B

Y, como segunda (y última, lo juro :) ) nota pedante: los efectos de interferencia en el vacío que se pudieran dar en el viaje de los neutrinos por el espacio se pierden por la pérdida de coherencia entre los estados propios emitidos desde el Sol:

la distancia es tan grande, que la pequeña diferencia en la velocidad de propagación debida a las diferentes masas hace que los “paquetes de onda” de los neutrinos pierdan coherencia (se alejen unos de otros) y no interfieran, eliminando la oscilación. Me he enterado ahora que, de hecho, éste es el efecto más importante que hace que los neutrinos solares no oscilen, más que la homogenización de la probabilidad de supervivencia.

Ramiro Hum-SahRamiro Hum-Sah

David B:

Una pregunta (y una disculpa si es muy elemental y poco práctica) Este efecto que mencionas (de pérdida de coherencia entre los eigenestados de masa) no debería hacer terriblemente difícil la observación de la oscilación de sabor en neutrinos observados en el fondo cósmico de neutrinos (en el supuesto caso en que pudiésemos detectarlos).

David BDavid B

Así lo entiendo, la pérdida de coherencia entre estados propios inhibe las oscilaciones a distancias suficientemente grandes. Sin embargo, los neutrinos reliquia no deberían ser relativistas, con lo que el comportamiento oscilatorio de los neutrinos observados hasta ahora no se les aplicaría (hay aproximaciones v~c en la derivación “estándar” de las oscilaciones) – de hecho puede haber efectos complejos en juego por interferencia entre neutrinos relativistas y no relativistas. De todas formas, no he estudiado nunca en detalle estudios del CNB y no podría decir sin ambages que no oscilan :)

Ramiro Hum-SahRamiro Hum-Sah

David B

Mil gracias por tan interesantísimos comentarios y por la respuesta. Jamás había escuchado sobre la pérdida de coherencia y me asombre nuestra respuesta. ¿Interferencia entre neutrinos relativistas y no relativistas? eso vaya que me pilla por sorpresa… Voy a leer un poco mas.

Gracias otra vez !

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