Reducir las discrepancias entre la predicción y la observación en la física de neutrinos
Los neutrinos son partículas esquivas, en parte porque su masa es mucho más pequeña que la de otras partículas elementales conocidas, a lo que hay que añadir que su descripción no encaja del todo con el Modelo Estándar de la física de partículas. Además, dado que su interacción con la materia es muy débil, pueden atravesar la Tierra sin ser detectados. Se conocen tres tipos de neutrinos: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico. Pero se cree que existe un cuarto tipo de neutrino denominado neutrino «estéril», ya que presenta una interacción con la materia aún más débil que el resto. Mediante el empleo de datos de experimentos terrestres y sondas cosmológicas complementarias, el proyecto ENCORE, respaldado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie, desarrolló herramientas computacionales y métodos estadísticos para calcular predicciones teóricas para varios fenómenos de neutrinos que, a continuación, se compararon con resultados experimentales para crear modelos precisos. «Aunque estas herramientas ya se conocían y son bastante sencillas, su empleo pionero en la física de neutrinos fue apasionante», comenta Stefano Gariazzo, que trabaja en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), un centro mixto de investigación adscrito al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), entidad de acogida del proyecto, y a la Universidad de Valencia.
De los reactores nucleares al universo temprano
ENCORE empleó datos de experimentos terrestres para abordar problemas relacionados con el cálculo teórico de una anomalía de un reactor nuclear. Los reactores nucleares son fuentes de neutrinos excelentes, pero el número predicho de antineutrinos electrónicos no coincide con las observaciones de un gran número de experimentos. Para conseguir que su modelo coincida lo máximo posible con estas observaciones, el equipo de ENCORE ajustó los valores de los parámetros de su modelo. «Al final no logramos una correspondencia, ya que obtuvimos un pequeño porcentaje de desviación. Sin embargo, nuestro método es relevante para comprender mejor el comportamiento de los reactores nucleares y podría emplearse para vigilarlos a fin de prevenir el desarrollo de armas nucleares», comenta Gariazzo, que trabaja en la Universidad de Valencia. Saber cuántos neutrinos produce cada isótopo del reactor significa que, al medir los neutrinos resultantes, los supervisores pueden determinar la composición de un reactor. Esto significa que pueden detectar cambios en el combustible que indicarían que parte se han extraído para desarrollar armas nucleares. Si bien la información más antigua sobre la expansión del universo, como los datos de radiación cósmica de fondo de microondas, respalda la existencia de tres neutrinos, el equipo utilizó la cosmología para examinar la posibilidad de que exista un cuarto tipo de neutrino. ENCORE llevó a cabo por primera vez cálculos completos de las oscilaciones de neutrinos en el universo temprano basados en la existencia de cuatro neutrinos. El equipo también realizó por primera vez cálculos de «agrupaciones de neutrinos reliquia», donde se acumulan los neutrinos cósmicos debido al potencial gravitacional de las grandes estructuras cosmológicas próximas a la Tierra. Los cálculos anteriores solo tuvieron en cuenta la Vía Láctea, mientras que ENCORE consideró las galaxias y los grupos de galaxias próximos. Esto es importante ya que al aumentar el volumen de neutrinos que pueden detectarse se favorece la investigación ulterior de estas partículas esquivas. «Todos estos resultados acotan los parámetros que describen las oscilaciones de los diferentes tipos de neutrinos, lo que ayudará a los estudios futuros para dilucidar si hay tres o más neutrinos», añade Sergio Pastor, supervisor del proyecto en el IFIC de Valencia.
Un trabajo en marcha
El equipo trabaja actualmente en una manera de implementar los resultados de ENCORE en el código PArthENoPE de la nucleosíntesis primordial que calcula la producción de núcleos de luz durante los primeros albores del universo. Los parámetros de los modelos de ENCORE se actualizarán continuamente a medida que se hagan públicos nuevos datos en los próximos años. Los modelos emplearán datos de DESI y de Euclid en el contexto cosmológico. Los datos de JUNO, ORCA y STEREO proporcionarán información sobre reactores y neutrinos atmosféricos.
Palabras clave
ENCORE, neutrino, cosmología, nuclear, reactor, subatómico, partícula, física, Tierra, galaxia, Vía Láctea, Modelo Estándar