Resultados de MINOS y otras anomalías en neutrinos

Esta semana termina académicamente el verano (acá en el hemisferio norte), período que representa la ausencia de estudiantes en los pasillos y oficinas lo que lleva a un significativo aumento en la productividad. También es el tiempo de la llamada temporada de conferencias de verano, donde importantes resultados son anunciados en las grandes conferencias. También significa viajes, lo cual es una de las parte entretenidas de este negocio. Este año la temporada de verano me llevó a Madison (Wisconsin), Fermilab (Illinois), Boston (Massachusetts), y Providence (Rhode Island), donde pude presenciar el anuncio de interesantes resultados. Mucha de la atención se centró en la búsqueda del bosón de Higgs, sin embargo no soy un experto en el tema por lo cual a los interesados les recomiendo los completos y detallados artículos de Francis.

Mi tema son los neutrinos y las simetrías fundamentales, justamente el tópico de un anuncio muy importante presentado ayer. Sin lugar a dudas algunos de los resultados más relevantes del año son los anunciados hace unos meses por los experimentos T2K y MINOS  (los cuales comentamos aquí y aquí). Sin embargo uno de los resultados más esperados era el análisis de MINOS comparando neutrinos y antineutrinos.

Detector del experimento MINOS

MINOS y violación CPT

La historia comienza hace algo más de un año, cuando en junio de 2010 el experimento MINOS anunció sus primeros resultados comparando las oscilaciones de neutrinos y de antineutrinos (hemos discutido oscilaciones de neutrinos anteriormente aquí, aquí, aquí, y aquí) en la conferencia Neutrino2010, la reunión de física de neutrinos más importante que se realiza cada dos años. Resultados preliminares indicaron que los parámetros físicos que controlan las oscillaciones de neutrinos son diferentes a los correspondientes parámetros para antineutrinos. Este resultado produjo una revuelta tanto en los medios como dentro de la comunidad científica. No sólo sería una indicación de que neutrinos y sus antiparíticulas se comportan de diferente manera (una violación CP, como discutimos aquí), también indicaría que una de las simetrías más fundamentales de la naturaleza (llamada CPT) podría no ser exacta (contrario a lo que nos dice el modelo estándar). De verificarse esta llamada anomalía MINOS no sólo será la primera evidencia concreta de violación CPT sino también requiría una reformulación de la teoría que describe los neutrinos para incluir los efectos de violación CPT (esto es justamente mi tema de tesis). La opinión generalizada de los científicos ante resultados anómalos de este tipo es siempre tomar más datos para garantizar la significancia estadística del resultado, es decir, para asegurarse de que lo observado es un efecto real y no sólo una fluctuación estadística en los datos obtenidos.

El día de ayer durante la conferencia Lepton Photon 2011 que se desarrolla en India, el experimento MINOS anunció un nuevo análisis con casi el doble de datos. El resultado: todo fue una fluctuación estadística y no un efecto real, en otras palabras la anomalía MINOS ya no existe como tal. Buenas noticias para la gente de otros experimentos que basan sus resultados en que la descripción de neutrinos y antineutrinos usa los mismos parámetros (como debe ser si CPT es una simetría exacta), no tan buenas noticias para quienes nos gustan los resultados anómalos, ya que son clara evidencia de que nos falta mucho por entender.

Anomalías en neutrinos

Una anomalía menos, hay otras? Por supuesto que sí, uno de los motivos por los cuales la física de neutrinos es tan activa es que hay resultados que no pueden ser comprendidos dentro de la descripción convencional. Recordemos que el sólo hecho de que los neutrinos oscilen (fenómeno real verificado por muchos experimentos) es una señal de fisica más allá del modelo estándar (de acuerdo al modelo estándar los neutrinos no pueden oscilar). En 2001 el experimento LSND presentó evidencias de que los antineutrinos oscilan de acuerdo a parámetros que son inconsistentes con la teoría convencional. Una posible solución es que existan más de tres neutrinos, sin embargo mediciones precisas en LEP (antecesor del LHC) en CERN muestran que sólo tres neutrinos interactúan a través de la interacción débil. Una idea es que hayan otros neutrinos que son insensibles a esta interacción que los físicos llaman neutrinos estériles, de los cuales todavía no hay una confirmación definitiva. Para confirmar o refutar esta anomalía el experimento MiniBooNE fue construído en Fermilab. Sin embargo MiniBooNE nos dio más anomalías: en 2007 se anunció que los neutrinos refutaban el resultado de LSND, sin embargo una extraña señal de oscilaciones no esperadas (de acuerdo al modelo convencional de neutrinos) aparecieron a bajas energías, es decir, MiniBooNE eliminó una anomalía pero nos dio una nueva. Dado que MiniBooNE usaba neutrinos y no antineutrinos como LSND, los científicos modificaron las propiedades del experimento para usar antineutrinos para hacerlo más parecido a LSND. En 2010 se anunció que los antineutrinos en MiniBooNE parecían consistentes con los antineutrinos en LSND, en otras palabras ahora tenemos tres anomalías: la anomalía LSND persiste, neutrinos y antineutrinos parecen comportarse de manera distinta, y además no sabemos qué es la señal a bajas energía en MiniBooNE. Por si eso fuera poco, a principios de este año un nuevo resultado anómalo apareció al reanalizar antiguos resultados de experimentos en reactores nucleares (Francis también nos cuenta más detalles aquí).

En resumen, hay mucho que no sabemos acerca de los neutrinos y cada vez que estamos cerca de tener respuestas nuevos resultados nos dejan más preguntas. La física de neutrinos es muy activa por este motivo y nuevos experimentos están siendo construídos. Durante este verano los experimentos RENO (Corea) y Daya Bay (China) usando reactores nucleares han comenzado a funcionar, complementando a Double Chooz (Francia) que comenzó a principios de este año (y que comentamos aquí). Estos pequeños neutros (como los llamó Fermi) nos siguen sorprendiendo cada vez que los estudiamos.

Imágenes: Fermilab