IceCube mide la absorción de neutrinos ultraenergéticos por el interior de la Tierra

Dibujo20171122 IceCube neutrino absorption in the Earth nature24459-f2

Los neutrinos de baja energía atraviesan la Tierra como si fuera transparente, pero cuando su energía supera los 40 TeV una gran parte son absorbidos. El detector IceCube ha estimado la tasa de absorción gracias a 10 784 neutrinos con energías entre 6,3 y 980 TeV (observados entre el 31 de mayo de 2010 y el 13 de mayo de 2011). El resultado está conforme a la predicción teórica del modelo estándar en un régimen más allá de lo que permiten las medidas con haces de neutrinos producidos en colisionadores, cuyas energías están por debajo de 0,4 TeV.

IceCube confirma que la absorción (sección eficaz de interacción entre los neutrinos y los nucleones de los núcleos atómicos) depende del ángulo de entrada al detector que está situado en el Polo Sur. En la dirección vertical, desde el Polo Norte, se reciben neutrinos que atraviesan todo el diámetro de la Tierra y se observan menos del 30% de los más energéticos. En la dirección horizontal se reciben neutrinos que no atraviesan la Tierra, solo la atmósfera, y se observan más del 95% de los neutrinos incidentes. Más aún, la curva de absorción en función del ángulo de incidencia sigue la tendencia predicha por el modelo estándar.

El análisis de los neutrinos observados en IceCube desde 2011 permitirá medidas más precisas de la absorción de neutrinos por la Tierra que ayudarán a descartar ciertas teorías de gran unificación que predicen partículas hipotéticas (como los leptoquarks) que incrementan la probabilidad de interacción entre neutrinos y quarks. El artículo es The IceCube Collaboration, “Measurement of the multi-TeV neutrino interaction cross-section with IceCube using Earth absorption,” Nature (22 Nov 2017), doi: 10.1038/nature24459.

Dibujo20171122 IceCube Neutrino cross-section measurements nature24459-f1

El modelo estándar predice que la interacción entre los neutrinos y los quarks (protones y neutrones) de los núcleos atómicos crece conforme crece su energía. El eje vertical en esta figura es el cociente entre la sección eficaz y la energía, y el eje horizontal es el logaritmo de la energía; por tanto, un crecimiento lineal de la sección eficaz con la energía corresponde a un valor constante en la figura, como se observa para energías por debajo de unos 3 TeV (nota que log(3000)=3,48). Por encima de esa energía la sección eficaz crece mucho más lento (de forma sublineal), de ahí que la figura muestra un valor del cociente que decrece conforme crece la energía.

La razón detrás de la forma de la curva mostrada en la figura es la siguiente. Según el modelo estándar los neutrinos interaccionan con los quarks de vía corrientes cargadas (bosones W±) y corrientes neutras (bosón Z0). A alta energía los bosones débiles se comportan como si su masa fuese más pequeña (como predice el mecanismo de Higgs de rotura espontánea de la simetría electrodébil), lo incrementa la probabilidad de interacción entre neutrinos y quarks.

Esta figura muestra que usando aceleradores de partículas para producir haces de neutrinos que se hacen colisionar con blancos de grafito (carbono) se alcanza una energía para los neutrinos de hasta 370 GeV (banda en color amarillo en la figura hasta el valor log(370) = 2,57). Para estas energías los antineutrinos interaccionan con los nucleones la mitad que los neutrinos, ya que se exploran las distribuciones de sus partones (pdf) para fracciones de momento x > 0,1 (las pdf cuantifican la fracción de momento del nucleón que se reparte entre quarks y gluones). En IceCube se detectan neutrinos de energías por encima de los 10 TeV para las que la diferencia entre neutrinos y antineutrinos es muy pequeña (decrece con la energía).

Dibujo20171122 Cross-section data compared with Monte Carlo model predictions nature24459-f3

La idea de estudiar la absorción de neutrinos por la Tierra se propuso en 1974. Pero solo hasta que se pudieron detectar neutrinos con energías tan altas como en IceCube se ha podido realizar una medida fiable. Cuando se tomaron las medidas IceCube consistía en 79 cuerdas de 60 sensores ópticos en una malla triangular con una distancia de 125 m entre cuerdas. Los sensores están separados en vertical por intervalos de 17 m entre una profundidad de 1450 y 2450 metros bajo la superficie del hielo. En el centro del detector (DeepCore) hay seis cuerdas con detectores a mayor profundidad, entre 2100 y 2450 metros, separados una menor distancia. El detector IceCube con 79 cuerdas detecta unos 2000 sucesos por segundo, la mayoría muones de baja energía producidos en las lluvias de rayos cósmicos por encima del detector, que no atraviesan la Tierra; dichos sucesos se descartan porque no son relevantes. Los 10 784 sucesos analizados (que han atravesado la Tierra hasta llegar al detector) corresponden al 0,1 % de todos los observados.

La sección eficaz de interacción entre los neutrinos y la materia del interior de la Tierra estimada ha sido 1,30 ± 0,20 (estad.) ± 0,40 (sist.) veces mayor que la predicción teórica del modelo estándar. Por tanto, el valor es coherente con la teoría y la confirma. Además, la dependencia con el ángulo de incidencia de los neutrinos también sigue la predicción del modelo estándar. No se observa un incremento dramático de la sección eficaz como predicen muchas teorías más allá del modelo estándar que incorporan dimensiones extra o leptoquarks. Por supuesto, serán necesarias futuras medidas para que el resultado permita sesgar dichas teorías con fiabilidad.

En resumen, un resultado muy prometedor que, aunque confirma el modelo estándar. Las futuras medidas en IceCube-Gen2 33 y en la fase 2 de KM3NeT que explorarán energías de los neutrinos aún más altas serán muy interesantes. Sin lugar a dudas los neutrinos son uno de los frentes más activos de la física de partículas y lo seguirán siendo durante los próximos lustros.


9 Comentarios

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David BDavid B

¡Gracias por este resumen, me parece impecable! En el título me parece que se te escapó una palabra que aquí no corresponde, por otra parte: la absorción es por parte de toda la Tierra, no por la corteza (de hecho, su muestra de neutrinos que sólo atraviesan una delgada capa del planeta está prácticamente libre de absorción, como se predecía).

Por otra parte, la incertidumbre en la medida es un poco más grande del ±0.30 : es de alrededor de ±0.20 estadística, pero más de ±0.40 en sistemática, así que más bien es ~±0.60!

fisivifisivi

Me parece muy interesante el que haya neutrinos con tanta interación con la materia.
¿Podrían los neutrinos, en el futuro, darnos una imagen del interior de la Tierra con más precisión que la sismología?

JavierJavier

Hola Francis,

En el articulo de Nature se menciona que las medidas realizadas descartan ciertos modelos que proponen Leptoquarks. Queria saber si rango de masas descartado invalida a los letoquarks como explicacion para las anonalias observadas en los B meson decays.

Gracias!

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