Los resultados del experimento subterráneo profundo confirman la anomalía: posible nueva física fundamental

Neutrino estéril, fundamentos de la física entre interpretaciones de resultados anómalos.

Nuevos resultados científicos confirman una anomalía vista en experimentos anteriores, lo que puede indicar una nueva partícula elemental aún no confirmada, el neutrino estéril, o indicar la necesidad de una nueva interpretación de un aspecto de física de modelos estándar, como la sección transversal de neutrinos, medida por primera vez hace 60 años. El Laboratorio Nacional de Los Álamos es la principal institución estadounidense que colabora en el experimento Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST), cuyos resultados se han publicado recientemente en revistas Cartas de revisión física Y Revisión física C.

«Los resultados son muy emocionantes», dijo Steve Elliott, analista principal de uno de los equipos que evalúan los datos y miembro de la División de Física de Los Alamos. “Esto definitivamente confirma la anomalía que hemos visto en experimentos anteriores. Pero lo que esto significa no es obvio. Ahora hay resultados mixtos en neutrinos estériles. Si los resultados indican que se malinterpreta la física nuclear o atómica fundamental, eso también sería muy interesante.” Otros miembros del equipo de Los Álamos incluyen a Ralph Massarczyk e Inwook Kim.

Ubicado a gran profundidad en el Observatorio de Neutrinos Baksan en las montañas del Cáucaso en Rusia, el objetivo de galio de dos zonas completado, a la izquierda, contiene un depósito interno y externo de galio, que es irradiado por una fuente de neutrinos electrónicos. Crédito: AA Shikhin

Más de una milla bajo tierra en el Observatorio de Neutrinos Baksan en las montañas del Cáucaso en Rusia, BEST utilizó 26 discos irradiados de cromo 51, un radioisótopo sintético de cromo y la fuente de 3,4 megacurias de neutrinos electrónicos, para irradiar un reservorio interior y exterior de galio, un metal plateado suave que también se usó en experimentos anteriores, aunque anteriormente en una configuración de un solo tanque. La reacción entre los neutrinos electrónicos del cromo 51 y el galio produce el isótopo germanio 71.

La tasa de producción medida de germanio 71 fue entre un 20 % y un 24 % inferior a la esperada según los modelos teóricos. Esta discrepancia está en línea con la anomalía observada en experimentos anteriores.

BEST se basa en un experimento de neutrinos solares, el Experimento de galio soviético-estadounidense (SAGE), al que el Laboratorio Nacional de Los Álamos ha realizado una importante contribución desde finales de la década de 1980. Ese experimento también utilizó galio y fuentes de neutrinos de alta intensidad. Los resultados de ese experimento y otros indicaron un déficit de neutrinos electrónicos, una discrepancia entre los resultados esperados y los reales que se conoció como la «anomalía del galio». Una interpretación del déficit podría ser evidencia de las oscilaciones entre neutrinos electrónicos y estados de neutrinos estériles.

Un conjunto de 26 discos de cromo 51 irradiados son la fuente de neutrinos electrónicos que reaccionan con el galio y producen germanio 71 a velocidades que se pueden medir en relación con las velocidades previstas. Crédito: AA Shikhin

La misma anomalía se repitió en el experimento BEST. Las posibles explicaciones aún incluyen la oscilación en un neutrino estéril. La partícula hipotética puede ser una parte importante de la materia oscura, una forma de materia en perspectiva que se cree que constituye la gran mayoría del universo físico. Sin embargo, esa interpretación puede requerir más pruebas, ya que la medición para cada tanque fue más o menos la misma, aunque más baja de lo esperado.

Otras explicaciones de la anomalía incluyen la posibilidad de un malentendido en las entradas teóricas del experimento, que la física misma requiere reelaborar. Elliott señala que la sección eficaz del neutrino electrónico nunca se ha medido a estas energías. Por ejemplo, una entrada teórica para medir la sección transversal, que es difícil de confirmar, es la densidad de electrones en el núcleo atómico.

La metodología del experimento se revisó cuidadosamente para garantizar que no se cometieran errores en aspectos de la investigación, como el posicionamiento de la fuente de radiación o las operaciones del sistema de conteo. Las iteraciones futuras del experimento, si se realizan, podrían incluir una fuente de radiación diferente con mayor energía, vida media más larga y sensibilidad a longitudes de onda de oscilación más cortas.

Referencias:

«Resultados del experimento Baksan sobre transiciones estériles (BEST)» por VV Barinov et al., 9 de junio de 2022, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.232501

«Busque transiciones de electrones y neutrinos a estados estériles en el experimento BEST» por VV Barinov et al., 9 de junio de 2022, Revisión física C.
DOI: 10.1103 / PhysRevC.105.065502

Financiamiento: Departamento de Energía, Oficina de Ciencias, Oficina de Física Nuclear.