MiniBooNE y LSND observan un exceso a 6.1 sigmas cuyo origen apunta a neutrinos estériles

Dibujo20180531 MiniBooNE total event excesses both neutrino mode and antineutrino mode arxiv 180512028

El modelo estándar tiene tres neutrinos levógiros con hipercarga débil (acoplados al bosón Z). Si los neutrinos fuesen fermiones de Dirac, como los electrones, existirán tres neutrinos dextrógiros estériles (sin hipercarga débil, no acoplados al bosón Z). El experimento MiniBooNE en el Fermilab estudia la oscilación de neutrinos muónicos en neutrinos electrónicos (νµ → νe). Se ha observado un exceso de neutrinos electrónicos a 4.5 sigmas (381.2 ± 85.2 sucesos) con energías entre 0.20 y 1.25 GeV. Combinado con un exceso previo de antineutrinos electrónicos (79.3 ± 28.6 sucesos) el exceso sube a 4.8 sigmas (460.5 ± 95.8 sucesos). Más aún, combinado con el exceso de antineutrinos de LSND se alcanzan las 6.1 sigmas. Antes de proclamar la primera evidencia de la existencia de los neutrinos estériles hay que esperar a la confirmación independiente de estos indicios.

Por supuesto, hay explicaciones para el exceso observado sin recurrir a los neutrinos estériles. Sin embargo, ahora mismo son la explicación más natural a estos excesos. La extensión más sencilla del modelo estándar incorpora tres neutrinos estériles, el modelo νMSM de Shaposhnikov, que forma parte de otras extensiones, como el modelo SM*A*S*H (aunque este último predice neutrinos dextrógiros con masas enormes) [LCMF, 21 Feb 2017]. Tres neutrinos estériles permiten explicar la materia oscura e introducen violaciones de la simetría CP para explicar la asimetría primordial materia-antimateria. El exceso observado por MiniBooNE puede tener explicaciones más mundanas, también más exóticas. Por ello, el nuevo trabajo de MiniBooNE solo reporta el exceso, sin decantarse por ninguna explicación.

El artículo es MiniBooNE Collaboration, “Observation of a Significant Excess of Electron-Like Events in the MiniBooNE Short-Baseline Neutrino Experiment,” arXiv:1805.12028 [hep-ex]. Los interesados en un tutorial sobre señales que apuntan a neutrinos estériles (modelos 3+1 y 3+3) disfrutarán de J.M. Conrad, M.H. Shaevitz, “Sterile Neutrinos: An Introduction to Experiments,” arXiv:1609.07803 [hep-ex].

[PS 03 Jun 2018] Varios artículos divulgativos destacan que MiniBooNE fue construido para verificar/refutar la señal observada por LSND (que tomó datos entre 1993 y 1998), y que gran parte de los miembros de la colaboración LSND son miembros de MiniBooNE. Entre líneas sugieren que puede haber un sesgo de confirmación oculto y de forma explícita que la estimación del fondo de neutrinos debido a la desintegración de piones neutros está mal estimado (la misma acusación que ya se ofreció sobre la señal de LSND). Puedes leer Tommaso Dorigo, “MiniBoone Confirms Neutrino Anomaly,” AQDS, 01 Jun 2018; Sabine Hossenfelder, “New results confirm old anomaly in neutrino data,” Backreaction, 31 May 2018; Luboš Motl, “MiniBooNE confirms LSND’s anomaly calling for new neutrino species,” TRF, 31 May 2018; Natalie Wolchover, “Evidence Found for a New Fundamental Particle,” Quanta Magazine, 01 Jun 2018; entre otros. [/PS]

[PS 04 Jun 2018] En la conferencia Neutrino 2018, Jun 4-9, 2018, se están presentando varios resultados interesantes. El primero es que MINOS y MINOS+ descartan la señal observada por MiniBooNE y LSND (ver la figura más abajo) [slides PDF download]; en este resultado se estudia en modo desaparición en el detector lejano la posible existencia de neutrinos estériles (ya que si se obervan en modo aparición en un detector cercano, también deberían observarse en modo desaparición en uno lejano). [/PS]

Dibujo20180603 muon vs electron PMT miniboone soucre www-boone fnal gov publications Papers grange_thesis

[PS 03 Jun 2018] Esta figura compara la señal Cherenkov para un neutrino muónico (izquierda) y un neutrino electrónico (derecha) en MiniBooNE. Su sucesor, MicroBooNE, que usa un tanque esférico de 170 toneladas de argón líquido, está tomando datos desde octubre de 2015. Su objetivo es investigar el exceso observado por MiniBooNE. La figura de abajo muestra un suceso para un neutrino electrónico de MicroBooNE [/PS].

Dibujo20180531 MiniBooNE neutrino event

En el Fermilab se produce el haz de neutrinos muónicos BNB (Booster Neutrino Beam) gracias a la colisión de protones con una energía de 8 GeV contra un blanco de berilio, que produce piones y kaones que se desintegran en muones y neutrinos muónicos. MiniBooNE ha estudiado la oscilación de neutrinos muónicos producidos por 12.84 × 1020 protones y antineutrinos muónicos por 11.27 × 1020 protones (se usan haces magnéticos para separar los piones π+ que producen neutrinos de los piones π que producen antineutrinos); la energía de los haces de neutrinos presenta un máximo a 600 MeV y la de los haces de antineutrinos a 400 MeV.

La detección de neutrinos estériles mediante excesos o defectos en la oscilación de otros neutrinos requiere que el detector esté muy cerca de la fuente. LSND y MiniBooNE se encuentran ambos a una distancia similar. En concreto, el detector de MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment) está situado a unos 541 metros de la fuente de neutrinos. Se trata de una esfera rellena con 818 toneladas de aceite mineral puro (CH2), recubierta de 1520 tubos fotomultiplicadores de 8 pulgadas (solo 1280 de ellos están en la región de detección). Los neutrinos emiten luz Cherenkov al atravesar el líquido que es detectada por los fotomultiplicadores. MiniBooNE lleva tomando datos desde hace 15 años (empezó a tomar datos en 2002).

Dibujo20180531 MiniBooNE excess consistent with LSND excess arxiv 180512028 La observación de neutrinos está sujeta a grandes incertidumbres, pues los sucesos de fondo son difíciles de estimar (se dice que su fondo es muy sucio). Se requieren muchos años de observación con un detector y un análisis continuo de su funcionamiento para garantizar una interpretación firme, en la que todas las posibles fuentes de errores sistemáticos estén bien controladas. Por ello el exceso a 3.8 sigmas observado por LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) ha sido puesto en duda por algunos físicos.

MiniBooNE ha observado 1959 sucesos de tipo neutrino electrónico con energías entre 200 y 1250 MeV, cuando se estima un fondo de 1577.8 ± 39.7(stat.) ± 75.4(syst.) sucesos; restando se obtiene el exceso de 381.2 ± 85.2 sucesos (este exceso alcanza 381.2/85.2 = 4.5 sigmas). En total se han observado 2437 sucesos, sumando los antineutrino electrónicos, sobre un fondo total esperado de 1976.5 ± 44.5(stat.) ± 84.8(syst.); restando tenemos 460.5 ± 95.8 sucesos (4.8 sigmas). Combinando con las 3.8 sigmas de LSND, las 4.8 sigmas de MiniBooNE dan lugar a nada menos que un exceso a 6.1 sigmas; recuerda que se combinan los excesos usando la fórmula (3.8)²+(4.8)² = (6.1)². Dibujo20180531 MiniBooNE and LSND allowed regions combined neutrino and antineutrino signals arxiv 180512028

Lo más relevante de los excesos de LSND y MiniBooNE es que son coherentes entre sí (como ilustra esta figura), por ello su combinación parece razonable, lo que reafirma que su origen podría ser común. El nuevo artículo de MiniBooNE no se decanta por ninguna explicación del exceso observado en modo aparición de neutrinos y antineutrinos. Pero la explicación más sencilla es recurrir a un neutrino estéril con Δm² ≈ 1 eV², que se incorpora a la oscilación de los neutrinos muónicos en neutrinos electrónicos.

En el Fermilab el programa SBN (Short-Baseline Neutrino program) promete seguir estudiando la oscilación de neutrinos durante los próximos años y mejorará la evidencia sobre estos excesos, lo que ayudará a desvelar su posible origen. Lo más importante es que los neutrinos estériles vuelven a la palestra con una señal que crece en significación. Los próximos años prometen ser apasionantes en el campo de la física de los neutrinos.

Dibujo20180603 neutrino oscillation limits 2014 hitoshi berkeley edu neutrino

Esta figura, basada en datos del PDG 2014, resume lo que sabemos sobre la oscilación de los neutrinos; la mezcla de dos neutrinos se describe en función de su diferencia de masas al cuadrado, Δm², y del ángulo de mezcla, θ. La sensibilidad de un detector de su distancia a la fuente de neutrinos y de su energía (que a su vez depende de su fuente). En línea contínua se muestran los limítes para la oscilación de un neutrino electrónico a un neutrino estéril. Todos los detectores lejanos apuntan a una diferencia de masas muy pequeña, sin embargo, los detectores cercanos (LSND y MiniBooNE están arriba) apuntan a una diferencia de masas enorme. Este conflicto entre ambos es la razón por la que muchos físicos tienen serias dudas sobre la confirmación de MiniBooNE de los resultados de LSND. ¿Cuál puede ser la solución del misterio?

Dibujo20180604 sterile neutrino disappearance limit minos minosplus at neutrino 2018 conference

[PS 04 Jun 2018] Esta figura muestra el nuevo límite de exclusión de MINOS y MINOS+ (izquierda) y su comparación con la señal de MiniBooNE (derecha). Se observa que los primeros excluyen a la segunda, luego ambos resultados se encuentran en tensión entre sí.

Dibujo20180604 minos minosplus exclusion miniboone lsnd signal at neutrino 2018

Esta figura deja más claro la comparación, mostrando el resultado clásico de LSND, el nuevo de MiniBooNE, y comparándolo que el combinado de MINOS, Daya Bay y Bugey-3, y con el de KARMEN2. Queda clara la tensión entre ellos. [/PS]


16 Comentarios

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MarioMario

Hola Francis,
Lo primero gracias por tu entrada. Como un pequeño detalle, me gustaria comentar que SMASH no puede explicar esta anomalia. Como el 99,9% de modelos bien motivados los neutrinos “esteriles” que introduce son muy pesados (para asi implementar el mecanismo de seesaw). Este modelo tiene muchas caracteristicas atractivas, pero no tiene los ingredientes necesarios para explicar esto.
Habrá que estar atento a que se dice la semana que viene en Neutrino 2018 (Heidelberg).

Saludos.

MarioMario

Gracias por tu rápida respuesta, Francis. Otro pequeño comentario: estos neutrinos dextrógiros deberian tener masas de alrededor de 10^9 GeV según dicen los autores de SMASH.

Saludos.

Alvaro VerdionAlvaro Verdion

Has comentado muy de pasada que explicaría la materia oscura. Eso sería de nobel. ¿No has entrao mucho ahí por algo en particular?

Francisco R. Villatoro

Alvaro, las observaciones cosmológicas actuales para la materia oscura fría están en contra de un neutrino estéril de baja masa (1 eV) que alcance un estado térmico en el universo temprano (pues daría lugar a materia oscura caliente); sin embargo, se pueden proponer modelos teóricos en los que este neutrino estéril no termaliza, con lo que no contribuye a la materia oscura y no es incompatible con la cosmología; en dichos modelos los otros dos neutrinos estériles (asumiendo un modelo 3+3 tipo nuMSM) serían de gran masa y serían los responsables de la materia oscura.

JavierJavier

Hola Francis,
Si lo he entendido bien, de confirmarse este resultado, los neutrinos serian fermiones de Dirac en lugar de fermiones de Majorana. ¿Implicaria esto que la desintegracion beta doble sin neutrinos es imposible?
Gracias

Francisco R. Villatoro

Javier, hay modelos 3+1 que incorporan un neutrino estéril de tipo Majorana (que son los preferidos por la supersimetría, por ejemplo). En cualquier caso, como bien dices, si los neutrinos son de Dirac (como en el modelo nuMSM), entonces es imposible la desintegración beta doble sin neutrinos. La naturaleza de Dirac o Majorana de los neutrinos debería resolverse en los próximos 5 años (si los experimentos en curso siguen su progreso esperado).

Juan CarlosJuan Carlos

Una duda Francis. En agosto de 2016 se publicaron varios artículos que venían ha decir que el observatorio de la antartida IceCube había descartado la existencia de neutrinos esteriles.
Por ejemplo en el país del 10 de agosto de 2016 se dice:
Resuelto el misterio del neutrino estéril
Los datos de un observatorio en la Antártida descartan casi por completo la posibilidad de
que exista un neutrino que podría ayudar a explicar la materia oscura
Mi pregunta es: ¿Cómo compatibilizar estas dos noticias aparentemente contradictorias?
Supongo que quizás las de 2016 pecaron de ser sensacionalistas. ¿O es esta ultima noticia la que quizás sea sensacionalista?
Bueno, si es posible una aclaración sobre este tema lo agradecería mucho. Gracias Francis.

Francisco R. Villatoro

Juan Carlos, IceCube descartó a 2.5 sigmas los neutrinos estériles de LSND y MiniBooNE (arXiv:1605.01990 [hep-ex]) usando el efecto MSW; la oscilación de los neutrinos a neutrinos estériles en el vacío y en un material (efecto MSW) es diferente. El nuevo resultado LSND+MiniBooNE a 6.1 sigmas va en contra de las 2.5 sigmas de IceCube. Así funciona la ciencia. Todavía no sabemos si existen o no existen. La búsqueda continúa.

CurioseandoCurioseando

Uyyy, se acerca el neutrino estéril de 7 keV y la confirmación de la línea en rayos X de 3,5 keV ¿Cómo lo ves Francis?

Francisco R. Villatoro

Curioseando, la situación todavía no está nada clara. Hay dudas sobre dicho exceso existe; y hay explicaciones sin materia oscura. Pero nadie puede descartar que sea resultado de un neutrino estéril.

Rafasith

Tengo una duda respecto a la deteccion de los neutrinos en la esfera rellena de aceite mineral puro (CH2),
La radiación Cerenkov es emitida por partículas cargadas eléctricamente al atravesar un medio en el que la velocidad de la luz es inferior.
Entonces supongo que la radiación Cerenkov detectada es debido a electrones que son elásticamente dispersados por los neutrinos electrónicos del haz.
Y esa es la radiación que ven los fotomultiplicadores ubicados en la superficie.
¿Es así?

Francisco R. Villatoro

Exactamente, Rafasith, la colisión de un neutrino electrónico con un nucleón de un núcleo de carbono produce un electrón que radia Cherenkov (radiación primaria); se diferencia de la colisión de un neutrino muónico con un nucleón de un núcleo de carbono ya que produce un muón que radia Cherenkov (radiación primaria) y que se desintegra en un electrón que también radia Cherenkov (radiación secundaria).

José I. Crespo-Anadón

Hola, Francis:

LSND y MicroBooNE se encuentran ambos a una distancia similar. En concreto, el detector de MicroBooNE (Micro Booster Neutrino Experiment) está situado a unos 541 metros de la fuente de neutrinos.
Las distancias de LSND (~ 30 m) y MiniBooNE (no MicroBooNE) (~ 541 m) son diferentes, y están expuestos a haces de neutrinos diferentes. Sin embargo, ambos tienen un valor similar para L/E (distancia/energía de los neutrinos), como muestra la figura, y que es lo relevante para explorar los mismos parámetros de oscilación.

MicroBooNE es una cámara de proyección temporal de argón líquido (liquid argon time projection chamber, o LArTPC en inglés) que forma parte del programa SBN de Fermilab. Uno de los objetivos de MicroBooNE es determinar el origen del exceso de candidatos a neutrino electrónico observado por MiniBooNE.

Como muestra la imagen de MicroBooNE (no MiniBooNE), la excelente resolución espacial y calorimétrica de las LArTPC permite distinguir si se trata de un suceso con un electrón (inducido por un neutrino electrónico) o un rayo gamma (por ejemplo, proveniente de la desintegración de un pión neutro, el fondo dominante) que se convierte en un par electrón-positrón. Un detector Cherenkov como MiniBooNE no es capaz de distinguir entre ambas opciones.

El análisis de los datos de MicroBooNE está en progreso.

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