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Las partículas de materia oscura y los neutrinos ofrecen una ventana al universo asimétrico

Una discrepancia en el comportamiento de los neutrinos y antineutrinos, y las asimetrías que se pueden esconder en la materia oscura invisible, podrían ofrecer pistas sobre un misterio cósmico duradero: ¿por qué existe más materia que antimateria?

Investigación fundamental

Los neutrinos son una de las partículas más abundantes, y misteriosas, del universo. Son tan escurridizos que sus propiedades aún se siguen investigando. Los primeros indicios de un comportamiento diferente de los neutrinos al intercambiarse por antineutrinos, una forma de violación de la simetría carga-paridad (CP), ofrecen una pista importante sobre la preponderancia de la materia sobre la antimateria. Otro ámbito donde las fuentes adicionales de violación de la simetría CP se pueden esconder es el sector de la materia oscura invisible. Las asimetrías en los campos de rotación de los axiones, partículas hipotéticas que generaron mucho revuelo como prometedores candidatos de materia oscura, ahora se consideran como una posible explicación de por qué el universo no está vacío. ELUSIVES, financiado por el programa Marie Skłodowska-Curie, es una red de formación inicial que se centra en la fenomenología de la materia oscura y los neutrinos. La misión principal era estudiar cómo están conectados esos campos, especialmente cuando se trata de explicar por qué la simetría CP parece producirse en algunos casos, pero no en otros. La red logró un notable progreso, con más de doscientas ochenta publicaciones científicas.

El origen de la masa de los neutrinos y los misterios de la antimateria

El experimento T2K, realizado en Japón, ha comunicado el indicio más fuerte hasta la fecha de que las interacciones de leptones violan la simetría CP. Los resultados indicaron discrepancias entre las oscilaciones de neutrinos, principalmente la manera en que los neutrinos muónicos se transforman en neutrinos electrónicos y la manera en que los antineutrinos muónicos se transforman en antineutrinos electrónicos, con una confianza de 3σ. Los análisis detallados de los datos de oscilación de neutrinos llevaron a los investigadores de ELUSIVES a establecer restricciones más severas en los parámetros de mezcla de neutrinos estériles. Una característica sorprendente de los neutrinos es su masa extremadamente pequeña. Eso sugiere que los neutrinos no obtienen masa mediante el campo de Higgs, como sí ocurre con la mayor parte de las partículas. Los científicos de ELUSIVES investigaron la posibilidad de que los nuevos estados de partículas más pesadas puedan ser fundamentales para conocer el origen de las masas de los neutrinos. Sugirieron que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), y los futuros colisionadores, podrían mejorar su sensibilidad mediante la búsqueda del fuerte indicio sobre la desintegración desviada de los mediadores con masa de neutrino. Cuando se resuelva este problema sobre la jerarquía de la masa de los neutrinos, los científicos estarían en mejores condiciones de desvelar otro apremiante misterio sobre dichas partículas fantasma: ¿los neutrinos son sus propias antipartículas? «Determinar si los neutrinos son partículas de Majorana tendría implicaciones profundas en la física de partículas. Los científicos investigan esta posibilidad mediante un proceso denominado desintegración doble beta sin neutrinos», indica Belén Gavela, profesora de Física Teórica en la Universidad Autónoma de Madrid y coordinadora de ELUSIVES. Los miembros del proyecto que trabajan en los experimentos GERDA, CUORE y NEXT están buscando la desintegración doble beta sin neutrinos en germanio-76, telurio-130 y xenón-136, respectivamente.

Las partículas similares a los axiones y los axiones resuelven muchos misterios a la vez

El experimento Axion Dark Matter Experiment ha determinado restricciones sumamente apropiadas sobre las propiedades y la existencia de los axiones. Los científicos de ELUSIVES analizaron si el axión puede ser mucho más pesado de lo que se pensaba hasta ahora. Eso ampliaría considerablemente el ámbito experimental en que se puede resolver el fuerte problema sobre la CP, al que incluso el LHC y los futuros colisionadores podrían acceder. También evaluaron a fondo la contribución de las partículas similares a los axiones en los momentos dipolares de leptones y exploraron si existe una conexión entre los axiones y la teoría de violación mínima de sabor. Otros miembros del proyecto propusieron nuevas señales de ondas gravitatorias de la materia oscura similar a los axiones. En el experimento XENON1T, los miembros del proyecto contribuyeron a establecer límites más estrictos para las interacciones de partículas masivas de interacción débil. ELUSIVES ha producido muchos otros resultados sobre candidatos de materia oscura y neutrinos que podrían permitir a los futuros científicos responder preguntas sobre las simetrías fundamentales de la naturaleza. Los resultados de ELUSIVE ayudan a mantener la competitividad y el liderazgo de Europa en la investigación sobre neutrinos y materia oscura.

Palabras clave

ELUSIVES, neutrino, axión, materia oscura, antineutrino, simetría CP, problema sobre la jerarquía de la masa, asimetrías

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