IceCube observa la resonancia de Glashow gracias a un antineutrino ultraenergético de 6.05 PeV

Por Francisco R. Villatoro, el 24 marzo, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 4

Se llama resonancia de Glashow a la interacción entre un electrón y un antineutrino mediada por un bosón W, predicha en 1959 por Sheldon Lee Glasshow (88 años). Para un electrón en reposo se requiere un neutrino de 6.3 PeV (petaelectrónvoltios). Una energía inalcanzable para un colisionador de partículas (el LHC alcanza 14 TeV, pero 1 PeV = 1000 TeV). Se publica en Nature que el detector IceCube ha observado un antineutrino electrónico con una energía de 6.05 ± 0.72 PeV; como del orden del 5 % de la energía se pierde en partículas secundarias no observables, se estima que la energía total es de ~ 6.3 PeV. Todo apunta a que se ha logrado la primera observación de la resonancia de Glashow. Una nueva confirmación del modelo estándar, cuya paternidad llevó a que Sheldon obtuviera el Premio Nobel de Física de 1979.

El antineutrino se ha observado a más de 5 sigmas. Sin embargo, la estimación de su energía total tiene bastante incertidumbre; la significación estadística para la hipótesis de que se ha observado la resonancia de Glashow es de solo 2.3 sigmas. Por ello, no se puede descartar que se trate de una falsa alarma y aún no se haya logrado la primera observación de la resonancia de Glashow. Como es obvio, nunca se sabrá, pues se trata de una señal única muy excepcional. A pesar de ello, el gran eco mediático asociado a esta señal y que se haya publicado en Nature me hace creer que la comunidad científica aceptará este nuevo hito de IceCube como la primera observación de la resonancia de Glashow. Además, en su caso, se trataría de la primera observación de un antineutrino astrofísico de ultra alta energía (para las demás observaciones no se sabe si se han observado neutrinos o antineutrinos).

El artículo es The IceCube Collaboration, «Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube,» Nature 591: 220-224 (10 March 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03256-1; más información divulgativa en Carla Distefano, «Giant ice cube hints at the existence of cosmic antineutrinos,» Nature 591: 206-207 (10 Mar 2021), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00486-1.

Este diagrama de Feynman ilustra la resonancia de Glashow. Debido a la gran diferencia de masa entre el neutrino y el electrón, la sección eficaz está muy picada a una energía de 6.32 PeV, como muestra la figura de la derecha. Así, si se observa este fenómeno tiene que ser a dicha energía.

El Observatorio de Neutrinos IceCube se encuentra cerca de la Estación Polar Amundsen–Scott en la Antártida. IceCube puede detectar neutrinos electrónicos, muónicos y tipo tau, con energías hasta la escala de los exaelectrónvoltios (1 EeV = 1018 eV, un millón de TeV). El detector consiste en 5160 fotomultiplicadores situados en 86 hilos verticales separados 125 metros cada uno y colocados en un volumen de un kilómetro cúbico de hielo a profundidades entre 1450 y 2450 metros. Esta figura ilustra el antineutrino observado el 8 de diciembre de 2016 asociado a la resonancia de Glashow.

La probabilidad de que IceCube observe la resonancia de Glashow es muy baja. Como se ha observado un candidato potencial, se puede estimar el número que se espera observar en su futura ampliación, el IceCube-Gen2, cuyo volumen de detección será unas ocho veces mayor. Todo apunta a que se multiplicará por un orden de magnitud el número de observaciones. Así si IceCube-Gen2 llega a observar varias veces la resonancia de Glashow se «confirmará» que pudo ser observada en 2018; si, por el contrario, no fuera capaz de volverla a observar, se consideraría que la señal de 2018 ha sido una falsa alarma. Como siempre, ante eventos únicos, solo se puede esperar a que en el futuro se repitan y nos ayuden a entender con nuevos ojos lo que se observó en el pasado.



4 Comentarios

  1. No me he enterado muy bien, ni aquí ni en Coffee Break, Francis. Lo que se observa es el producto de una desintegración provocada por un antineutrino muy energético, y por ello se cree que ese antineutrino ha causado en el detector una resonancia de Glashow que consiste en tras interectuar con el electrón la aparición de un bosón vectorial W- que luego decae en un par partícula antipartícula. ¿Me equivoco?
    ¿Se ha observado directamente el bosón W-? ¿Cómo se ha conservado la carga en el diagrama de Feynman?
    Perdona, es que no estoy nada ducho en física de partículas…

    1. Avogadro, lo que IceCube observa es la radiación Cherenkov provocada por una partícula cargada (normalmente un muón, pero también puede ser un mesón); se interpreta que es resultado de la colisión de un «neutrino» con cierta energía contra una partícula en una molécula de agua en el hielo; al estimar la energía de dicho «neutrino» resulta similar a la esperada para el proceso de Glashow; en su caso se trataría de la colisión de un antineutrino contra un electrón, mediada por un bosón W. Observar de forma directa el W es imposible en IceCube (de hecho, también lo es en el LHC, donde solo es posible observar los productos de su desintegración).

      Creo que lo que te confunde es el diagrama de Feynman; recuerda que la carga de un quark tipo abajo (d,s,b) es −1/3 y de un antiquark tipo arriba (u,c,t) es −2/3 que suman −1 (la carga del W). La figura está extraída de la web de IceCube (https://icecube.wisc.edu/gallery/icecube-sees-a-glashow-resonance-event/), pero el artículo en Nature habla de un muón, porque el W también se puede desintegrar en un muón y un antineutrino muónico (IceCube suele observar la radiación Cherenkov de muones).

      Quizás debo cambiar la figura; lo hago. Gracias por el comentario.

  2. Muchas gracias, ahora está perfectamente explicado. Ahora veo claro que lo que se detecta por Cerenkov es el muón, que proviene de la W-, aunque podría haber decaído en el mesón, por eso en el primer diagrama no especificaba que partícula y antipartícula era, y yo al verlas iguales supuse que la carga no se conservaba, como bien has adivinado, Gracias de nuevo…

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