MicroBooNE descarta un neutrino estéril como causa de la anomalía de MiniBooNE

Por Francisco R. Villatoro, el 31 octubre, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 1

El experimento MiniBooNE del Fermilab estudiaba la oscilación de neutrinos muónicos en electrónicos. En sus datos entre 2002 y 2019 observó un exceso de neutrinos electrónicos a baja energía (eLEE), entre 200 y 500 MeV, con 4.8 sigmas (¡casi 5 sigmas!), cuya causa podría ser un neutrino estéril. El objetivo del experimento MicroBooNE era confirmar (o refutar) dicho exceso. Se han publicado 8 artículos con los primeros resultados de MicroBooNE: se descarta el exceso a 3.8 sigmas y la existencia del neutrino estéril necesario para explicarlo. ¿Qué está detrás del exceso de MiniBooNE? Los datos de MicrooBooNE descartan las hipótesis más razonables (fotones y neutrinos intrínsecos), pero no aportan nada más. ¿Sabremos algún día la causa de dicho exceso? Quién sabe, quizás nunca. Eso sí, ahora es el turno de los físicos teóricos que tendrán buscar una explicación del exceso de MiniBooNE que sea compatible con su ausencia en MicroBooNE; seguro que no tardarán en lograrlo.

MicroBooNE es un detector de neutrinos electrónicos que usa 85 toneladas de argón líquido (LArTPC, por Liquid Argon Time Projection Chamber); se encuentra a 468.5 metros de la fuente de un haz de neutrinos muónicos (BNB, por Booster Neutrino Beamline) producido por protones a 8 GeV que inciden sobre un blanco de berilio. El haz BNB tiene un 93.6 % de neutrinos muónicos, un 5.9 % de antineutrinos muónicos, un 0.52 % de neutrinos electrónicos y un 0.05 % de antineutrinos electrónicos. Los nuevos resultados descartan que estos neutrinos electrónicos (llamados intrínsecos) sean responsables del exceso de MiniBooNE. MicroBooNE ha realizado cuatro análisis (presentados en sendos artículos): una búsqueda exclusiva de neutrinos vía corrientes cargadas en una dispersión cuasielástica (1e1p CCQE), una búsqueda semiinclusiva para eventos sin piones (1eNp0π), una búsqueda inclusiva para estados finales hadrónicos (1e0p0π) y una búsqueda inclusiva general (1eX). Usando 7×10²⁰ protones (POT, por Protons On Target) entre febrero de 2016 y julio de 2018 se descarta el exceso eLEE en los análisis 1e1p CCQE, 1eNp0π y 1eX, pero 1e0p0π no es concluyente (aunque apunta a un exceso aún mayor que el de MiniBooNE, pero de muy baja significación estadística).

El artículo con el resumen de resultados es MicroBooNE collaboration, «Search for an Excess of Electron Neutrino Interactions in MicroBooNE Using Multiple Final State Topologies,» arXiv:2110.14054 [hep-ex] (26 oct 2021). Los cuatro análisis de los datos se han publicado en «Search for an anomalous excess of charged-current quasi-elastic νe interactions with the MicroBooNE experiment using Deep-Learning-based reconstruction,» arXiv:2110.14080 [hep-ex]; «Search for an anomalous excess of charged-current νe interactions without pions in the final state with the MicroBooNE experiment,» arXiv:2110.14065 [hep-ex]; «Search for an anomalous excess of inclusive charged-current νe interactions in the MicroBooNE experiment using Wire-Cell reconstruction,» arXiv:2110.13978 [hep-ex]; «Search for an Excess of Electron Neutrino Interactions in MicroBooNE Using Multiple Final State Topologies,» arXiv:2110.14054 [hep-ex]. Otros artículos con aspectos más técnicos son «New Theory-driven GENIE Tune for MicroBooNE,» arXiv:2110.14028 [hep-ex]; «First Measurement of Energy-dependent Inclusive Muon Neutrino Charged-Current Cross Sections on Argon with the MicroBooNE Detector,» arXiv:2110.14023 [hep-ex]; «Wire-Cell 3D Pattern Recognition Techniques for Neutrino Event Reconstruction in Large LArTPCs: Algorithm Description and Quantitative Evaluation with MicroBooNE Simulation,» arXiv:2110.13961 [hep-ex].

A nivel divulgativo te recomiendo las piezas optimistas de Thomas Lewton, «Is the Great Neutrino Puzzle Pointing to Multiple Missing Particles?» Quanta Magazine, 28 Oct 2021; «LANL: New Results From MicroBooNE Provide Clues To Particle Physics Mystery,» Los Alamos Reporter, 27 Oct 2021., y también Mark Rayner, «MicroBooNE homes in on the sterile neutrino,» CERN Courier, 11 Oct 2021.

Quizás conviene empezar la historia por el principio. En 1993 se inició la toma de datos del detector LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) en LANL (Los Alamos National Laboratory), Nuevo Mexico. En 1995 se observó un exceso de neutrinos que se interpretó como una señal de la existencia de un neutrino estéril con una masa de ∼ 100 keV (en el New York Times se publicó la noticia del descubrimiento de un nuevo neutrino). Además de los tres neutrinos conocidos (electrónico, muónico y tauónico) existiría un cuarto neutrino, que sería un neutrino estéril, ya que no podría interaccionar con los bosones W y Z para evadir los límites de exclusión de LEP (que aseguran que solo existen tres neutrinos con masa menor de ∼ 45 GeV). Hoy sabemos que los datos cosmológicos del telescopio espacial Planck de la ESA descartan, fuera de toda duda, la existencia de un neutrino estéril con una masa ∼ 100 keV. Pero LSND tomó datos hasta 1998 y reforzó su exceso hasta alcanzar 4.8 sigmas.

En el año 2002 se inició la toma de datos del experimento MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment) en el Fermilab (Fermi National Laboratory), cerca de Chicago. Su objetivo confirmar (o refutar) el exceso observado por LSND. Sus datos confirmaron el exceso de LSND y en 2018 alcanzaron 4.5 sigmas, que combinados con LSND mostraban una evidencia de 6.1 sigmas (LCMF, 01 jun 2018). MiniBooNE tomó datos hasta 2019 y, a pesar de los datos de LEP y de Planck, la significación del exceso crecía y crecía. Te preguntarás, ¿por qué no le dieron un Premio Nobel de Física? Porque no basta con que dos experimentos independientes obtengan evidencias a más de cinco sigmas, además es necesario que haya un consenso científico sobre el resultado. El problema de MiniBooNE, como el de LSND, es que no era capaz de discernir todas las posibles causas del exceso que no requieren ni neutrinos estériles, ni nueva física. Por ejemplo, el efecto del pequeño porcentaje de neutrinos electrónicos que hay en el haz de neutrinos muónicos BNB (los llamados neutrinos electrónicos intrínsecos); o también la posibilidad de que la dispersión elástica de los neutrinos con los núcleos produzca fotones de alta energía que decaen en piones. Para discernir la cuestión era necesario un nuevo detector que fuera capaz de lograrlo.

MicroBooNE se colocó a 468.5 metros de la fuente de neutrinos BNB, justo delante de MiniBooNE (que estaba a unos 541 metros). Su diseño mejorado permitía detectar los eventos producidos por los neutrinos intrínsecos. También se ha realizado una recalibración del software de generación de eventos (GENIE) usando los últimos datos de T2K (Tokai to Kamioka) en Japón (https://arxiv.org/abs/2110.14028) y una mejora en el software Wire-Cell 3D para la reconstrucción de los eventos (https://arxiv.org/abs/2110.13961; https://arxiv.org/abs/2110.13978). Y además se han usado técnicas de aprendizaje profundo (deep learning) para el análisis y clasificación de los eventos. Sin lugar a dudas un gran número de avances que ofrecen mucha más confianza en el resultado de MicroBooNE que en el de MiniBooNE.

El canal 1e1p CCQE (Charged-Current Quasi-Elastic) corresponde a la interacción νe + n → e + p, es decir, un neutrino electrónico colisiona con un neutrón de un núcleo de argón produciendo un electrón y un protón; en estos eventos se observa la traza de un protón y un chorro electromagnético asociado al electrón, de ahí el nombre 1e1p (además, suelen aparecer trazas de muones independientes). Se han observado 25 neutrinos (200–1200 MeV), todos los eventos aparecen en el apéndice del artículo (arXiv:2110.14080); sin exceso eLEE se esperaba observar 29.0 ± 5.2 (stat.) ± 1.9 (syst.) = 29.0 ± 5.5. En la región del exceso (200–500 MeV) se observaron 6 neutrinos, sin eLEE se esperaban 8.8 ± 3.0 (p = 0.02) y con eLEE 18.5 ± 4.4 (p = 0.00016). La figura muestra claramente que los datos (puntos negros) son incompatibles con el exceso esperado según los datos de MiniBooNE (línea roja punteada). Por cierto, en el análisis se ha tenido en cuenta la interacción 1μ1p (νe + n → μ + p), que ha resultado no influir de forma significativa en los resultados.

El canal 1eNp0π corresponde a la interacción del neutrino electrónico con un núcleo de argón resultando un evento sin piones en el estado final, aunque con un protón visible (la pequeña raya roja al inicio de la raya verde en la figura del evento a la derecha). Se han observado 64 neutrinos en el canal 1eNp0π; sin eLEE se esperaba observar 86.8 ± 8.8 (stat.) ± 11.5 (syst.) = 86.8 ± 14.5. Como se muestra claramente en la figura de la izquierda, en la región del exceso (150–650 MeV) se observaron 21 neutrinos, cuando sin eLEE se esperaban 30.4 ± 6.1 (p = 0.021) y con eLEE 39.0 ± 6.8 (p = 0.29).

El canal 1e0p0π corresponde a la interacción del neutrino electrónico con un núcleo de argón resultando un evento sin piones y sin ningún protón visible en el estado final (observa la ausencia de una pequeña raya roja al inicio de la raya verde en la parte izquierda de la figura del evento que aparece a la derecha). Se han observado 34 neutrinos en el canal 1e0p0π; sin eLEE se esperaba observar 30.2 ± 5.6 (stat.) ± 4.3 (syst.) = 30.2 ± 7.0. Lo más relevante, como muestra la figura, es que en la región del exceso (150–650 MeV) se observaron 27 neutrinos, cuando sin eLEE se esperaban 19.0 ± 5.3 (p = 0.93) y con eLEE 22.3 ± 5.7 (p = 0.98); así que se ha observado un exceso sobre el exceso, aunque como es a menos de dos sigmas, se considera poco significativo. En mi opinión, futuros resultados de MicroBooNE seguramente reducirán este exceso hasta hacerlo compatible con las expectativas teóricas sin eLEE.

Y, por último, se ha realizado una búsqueda inclusiva general (recuerda que «exclusiva» significa específica a un canal concreto, como un club exclusivo solo para socios, mientras que «inclusiva» significa que se incluyen múltiples canales de características y topología muy diferente, como un club «inclusivo» que acepta a todo el mundo). En esta búsqueda se incluyen los posibles eventos con piones que no se han considerado en los canales anteriores (y que podrían estar asociados a fotones de alta energía producidos por la dispersión elástica de un neutrino por un núcleo que decaen en piones). En el canal 1eX (0–600 MeV) se observan 56 neutrinos, sin eLEE se esperaba observar 69.6 ± 8.0 (stat.) ± 5.0 (syst.) = 69.6 ± 9.4 (p = 0.00009), y con eLEE se esperaban 104 ± 12 (p = 0.33).

En resumen, a pesar de que muchos físicos teóricos no perderán la fe en los datos de MiniBooNE y seguirán publicando explicaciones basadas en nueva física para su exceso, los datos de MicroBooNE no observan dicho exceso y descartan la explicación más sencilla, un neutrino estéril con una masa de ∼ 100 keV (que ya estaba descartado por LEP y Planck, entre muchos otros). Se esperaba que MicroBooNE pudiera explicar el exceso de MiniBooNE como resultado de los neutrinos electrónicos intrínsecos, sin embargo, no ha sido así. El exceso de MiniBooNE (y de LSND) sigue sin tener explicación; aunque todo apunta a que será debido a algún error sistemático en los análisis combinado con la baja sensibilidad de sus detectores para ciertas interacciones entre los neutrinos y el argón. En cualquier caso, habrá que estar al tanto de los futuros resultados de MicroBooNE. La física de neutrinos es la parte más apasionante de la física de partículas en la actualidad y con seguridad nos dará muchas sorpresas en los próximos años.



1 Comentario

  1. El estudio de la física de neutrinos esta super activo y los físicos experimentales, cual detectives de CSI, están trabajando duro para obtener buenas pistas que permitan descartar hipótesis y dilucidar los misterios que aun persisten. Esperemos que poco a poco vayan mejorando las técnicas y experimentos.

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