Los experimentos de materia oscura echan un primer vistazo a la 'neblina de neutrinos'

La “niebla” de neutrinos está empezando a materializarse.

Partículas subatómicas livianas llamadas neutrinos han comenzado a colarse en los datos de experimentos no diseñados para detectarlos. Dos experimentos, construidos para detectar partículas de materia oscura, han captado vislumbres iniciales de neutrinos nacidos en el sol, informan los físicos. “Es un triunfo”, dice la física de neutrinos Kate Scholberg de la Universidad de Duke, quien no estuvo involucrada en la investigación. Los indicios de estos neutrinos son una señal esperada desde hace mucho tiempo de la mejora del rendimiento de los detectores. “En realidad es un hito”, dice Scholberg. 

Conocida como la “niebla de neutrinos”, la firma sugiere una nueva forma de estudiar las difíciles de detectar partículas subatómicas. Pero también apunta al comienzo del fin para los detectores de materia oscura de este tipo, que buscan detectar las partículas masivas no identificadas que conforman el cosmos. A medida que estos detectores se vuelven más capaces, la niebla de neutrinos podría oscurecer posibles signos de materia oscura.

El experimento XENONnT (pronunciado “xenón en-te”) en el Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia, detectó señales de neutrinos producidos en el sol, informaron los físicos el 10 de julio en el Taller Internacional sobre la Identificación de la Materia Oscura en L’Aquila, Italia. Y el experimento PandaX-4T, en el Laboratorio Subterráneo de Jinping en Liangshan, observó evidencia similar, los investigadores informaron en el taller el 8 de julio y en un artículo presentado el 15 de julio en arXiv.org.

El resultado “abre [una] nueva puerta para usar nuestros detectores para estudiar neutrinos y buscar fenómenos de nueva física asociados”, dice el físico Ning Zhou de la Universidad Ji Tong de Shanghái, un portavoz adjunto de PandaX.

En los procesos de fusión nuclear que alimentan el sol, se producen multitudes de neutrinos en una variedad de reacciones diferentes. Algunos de los neutrinos más energéticos provienen del decaimiento radioactivo del boro-8, un tipo de boro creado durante el proceso de fusión. Los científicos habían predicho desde hace mucho tiempo que esos neutrinos son lo suficientemente comunes, y tienen las energías apropiadas, para ser vistos en los detectores de materia oscura. Eso es lo que han encontrado los dos detectores de materia oscura.

Cada experimento contiene varias toneladas métricas de xenón líquido. Si una partícula de materia oscura choca contra el núcleo de un átomo de xenón, los experimentos pueden detectar ese núcleo retrocediendo en respuesta, revelando la presencia de materia oscura. Pero los neutrinos también pueden chocar contra núcleos atómicos, causando retrocesos similares. Este tipo de interacción, en la que un neutrino choca contra un núcleo atómico completo en lugar de un protón o neutrón individual, fue visto por primera vez en 2017 en el experimento COHERENT, utilizando neutrinos de una fuente de laboratorio. Los dos nuevos experimentos marcan las primeras señales de choque de núcleos por neutrinos del sol. Los científicos detectaron previamente neutrinos solares por otros medios.

En el futuro, detectar neutrinos solares a través de los núcleos que los golpean podría ayudar a los físicos a comprender mejor las partículas. Por ejemplo, los científicos podrían estudiar la señal de neutrinos para buscar lo que los detectores podrían estar pasando por alto: neutrinos “estériles” hipotéticos que no interactuarían con la materia en absoluto, aparte de las fuerzas gravitacionales. Los detectores de materia oscura también podrían detectar neutrinos de otras fuentes, como estrellas explosivas cercanas. “Es muy genial ver que podemos convertir este detector en un observatorio de neutrinos”, dice el físico Michael Murra de la Universidad de Columbia, miembro de la colaboración XENONnT.

Los neutrinos aún no están limitando el rendimiento de los detectores de materia oscura. La señal de neutrinos solares solo oscurecería partículas de materia oscura de baja masa, que caen por debajo del rango de masa que estos detectores examinan más cuidadosamente en busca de materia oscura. Aún queda un largo camino por recorrer antes de que los neutrinos comiencen a inundar la detección de materia oscura de masas mayores.

La próxima generación de detectores de materia oscura, más allá de XENONnT y PandaX-4T, debería seguir pudiendo buscar materia oscura. Pero mejorar aún más comenzará a volverse difícil. En cambio, los científicos podrían pasar a detectores que miden la dirección de las partículas entrantes. Eso permitiría a los investigadores buscar interacciones oscuras que se originen lejos del sol, eliminando los neutrinos solares de sus datos.