Indicios de una 'neutrino fog' podrían complicar los esfuerzos para detectar la materia oscura.

12 de noviembre de 2024

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por David Appell, Phys.org

Como si la búsqueda de la materia oscura no fuera lo suficientemente difícil, los físicos pueden haber detectado otro obstáculo conocido como una 'neblina de neutrinos' proveniente de neutrinos solares que atraviesan la Tierra.

Actualmente se están llevando a cabo varios experimentos para detectar la materia oscura, la cual constituye aproximadamente el 27% de la masa-energía del universo y explicaría las curvas de rotación de las galaxias y más. Se espera que la materia oscura esté formada por partículas frías que interactúan mínimamente con la materia regular, por lo que se les llama partículas masivas débilmente interactivas (WIMPs, por sus siglas en inglés).

Un método popular esperado para la detección es el uso de contenedores subterráneos profundos de xenón en su forma líquida. La esperanza es que la materia oscura que impacte en la Tierra atraviese la roca por encima del detector, filtrando casi todos los rayos cósmicos que también impactan en la Tierra.

Pero los neutrinos también son partículas muy débilmente interactivas que pueden llegar a grandes profundidades bajo tierra, y el sol proporciona un gran flujo de ellos, hasta 700 billones por segundo en cada metro cuadrado para energías inferiores a 18 MeV/c2.

Casi la totalidad de los neutrinos atraviesa directamente la Tierra, pero muy pocos reaccionarán con un átomo o un núcleo. A medida que los detectores se vuelven más sensibles, esta 'neblina de neutrinos' puede interferir con su capacidad para detectar la materia oscura. Y al parecer, ahora parece que esto ha sido observado en dos experimentos subterráneos en busca de materia oscura: el experimento PandaX-4T ubicado en el Laboratorio Subterráneo de China Jinping en Sichuan y el experimento XENONnT en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso en Italia.

Ambos grupos publicaron artículos el mismo día en Physical Review Letters con evidencia de interacciones de neutrinos en sus detectores a partir de retrocesos nucleares cuando un neutrino dispersa de un núcleo de xenón. Aunque sus resultados están justo por debajo de la prueba de significancia de tres sigmas que los físicos suelen utilizar como evidencia, aún no alcanzan el estándar de cinco sigmas para un descubrimiento. Sin embargo, los resultados sugieren que la neblina de neutrinos podría complicar considerablemente sus esfuerzos futuros.

Los neutrinos solares se producen en la cadena de reacciones nucleares del sol, cuando 8B (boro) se descompone en 8Be* (berilio en un estado excitado e inestable), un positrón y un neutrino electrónico. (El boro tiene un número atómico de 5, con cinco protones en su núcleo y seis neutrones; 8B es un radioisótopo con dos neutrones adicionales en el núcleo, y una vida media de solo 772 milisegundos.)

Estos neutrinos, que representan solo el 0.02% de todos los neutrinos solares, escapan fácilmente del plasma solar y algunos llegan a la Tierra, interrumpiendo bruscamente a los pacientes detectores de materia oscura. Los pocos que dispersan lo hacen a través de un proceso llamado dispersión coherente elástica neutrino-núcleo, o CEνNS. (La letra griega nu (ν) es el símbolo común para un neutrino.)

El neutrino interactúa con el núcleo en su totalidad y es más probable que las interacciones con nucleones o electrones individuales. El proceso de dispersión CEνNS se descubrió en un acelerador en 2017, pero para las bajas energías de los neutrinos es muy difícil de observar porque el núcleo de retroceso tiene poca energía, tan baja como 1 keV/c2.

Los detectores consisten en 1–2 metros cúbicos de xenón líquido con una masa de 4–6 toneladas, a una temperatura de aproximadamente -110°C (163 K), instalados a 1,400 metros bajo la superficie en Italia, 2400 metros en China. El objetivo primario inicial de ambos es detectar materia oscura.

Cada uno recolectó datos de dos ejecuciones experimentales distintas a lo largo de dos años, buscando interacciones candidatas de CEνNS basadas en predicciones teóricas que incluyen el rendimiento del detector y el flujo conocido de neutrinos 8B.

El detector de XENONnT observó 11 eventos de CEνNS mediante análisis de datos de aprendizaje automático (y 26 eventos atribuidos a fuentes de fondo), mientras que PandaX-4T reportó 75. Aunque el detector de XENOXnT tiene un 60% más de volumen y un tiempo de exposición efectiva 60% más alto, PandaX-4T está a un kilómetro más profundo bajo tierra.

Pero la razón principal de la cuenta más alta de PandaX-4T es un umbral de energía más bajo para lo que constituye una interacción. El inconveniente de ese umbral más bajo es un ruido de fondo mayor para que el análisis de datos lo procese y elimine.

Ambos midieron un flujo de neutrinos del sol que, en la superposición, es consistente con lo que predicen los modelos solares estándar del sol—aproximadamente 50 mil millones de neutrinos/m2/s, y una sección transversal de dispersión del proceso CEνNS para xenón consistente con el Modelo Estándar de la física de partículas.

Al final, cada experimento obtuvo una confianza estadística similar de que habían detectado interacciones CEνNS de 8B, 2.64 sigma para PandaX-4T y 2.73 sigma para XENONnT. (Un nivel de confianza de 3 sigma significa que el resultado tiene un 0.3% de posibilidad de ser una fluctuación de fondo; 5 sigmas solo tiene un 0.00006% de posibilidad). Como se mencionó anteriormente, estos resultados no son lo suficientemente altos como para considerarse evidencia.

‘Con la toma de datos continuos de PandaX-4T y las futuras actualizaciones, esperamos mejorar significativamente la medición de neutrinos 8B, abriendo nuevas oportunidades emocionantes en la ciencia desde lo más profundo de la tierra,’ escribió la Colaboración PandaX. ‘El desarrollo de detectores de xenón líquido también puede abrir nuevas vías para la detección de neutrinos de baja energía utilizando el canal CEνNS.’

La Colaboración XENON escribió, ‘A medida que XENONnT continúa tomando datos, se esperan mediciones más precisas en el futuro,’ con la esperanza de superar el umbral de 3 sigma para evidencia.

Más información: Zihao Bo et al. (Colaboración PandaX), Primera Indicación de Neutrinos Solares 8B a través de Dispersión Neutrino-Núcleo Elástica Coherente en PandaX-4T, Cartas de Revisión Física, 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.191001

E. Aprile et al. (Colaboración XENON), Primera Indicación de Neutrinos Solares 8B a través de Dispersión Neutrino-Núcleo Elástica Coherente con XENONnT, Cartas de Revisión Física (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.191002. journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.133.191002

Información de la revista: Cartas de Revisión Física

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