Los investigadores han podido observar directamente por primera vez las interacciones de electrones de alta energía con neutrinos muónicos en el rango de energía de los teraelectronvoltios (TeV).

Este momento histórico se logró en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN mediante el experimento de búsqueda directa (FASER).

Los neutrinos son partículas fundamentales con masas muy pequeñas e interacciones débiles con la materia. Estas «partículas fantasma» han fascinado a los físicos durante mucho tiempo. A pesar de su abundancia (incontables neutrinos atraviesan la Tierra y nuestros cuerpos cada segundo), detectarlos ha resultado difícil.

«Este resultado representa el primer resultado físico obtenido con neutrinos a partir de colisiones de partículas», afirmó Akitaka Ariga, profesor asociado de la Universidad de Chiba y uno de los investigadores principales, y describió los esfuerzos del equipo como un «avance en la física de partículas que revolucionará la estrategia de investigación experimental a gran escala en este campo.

Un nuevo ojo sobre lo invisible

Hay tres «sabores» de neutrinos: neutrinos electrónicos (ve), neutrinos muónicos (νμ) y neutrinos tau (ντ). Hasta la fecha, las secciones transversales de interacción de neutrinos no se han medido a energías superiores a 300 GeV (GeV) para neutrinos electrónicos y entre 400 GeV y seis TeV (6000 GeV) para neutrinos muónicos.

El elemento clave del nuevo descubrimiento es el detector FASERν, un componente especializado del experimento FASER en el CERN. Este detector consta de 730 capas de láminas de tungsteno y películas de emulsión, y la masa objetivo total alcanza 1,1 toneladas. Además, FASERν tiene un diseño que permite reconstruir con resolución submicrónica las trayectorias de partículas cargadas resultantes de interacciones de neutrinos.

El equipo analizó una parte del volumen expuesto del detector, equivalente a 128,6 kg, centrándose en los neutrinos de alta energía generados por las colisiones protón-protón en el LHC.

Mediante una selección rigurosa, los investigadores pudieron identificar cuatro candidatos a interacción electrón-neutrino y ocho candidatos a interacción muón-neutrino, todos los cuales tienen energías superiores a 200 GeV.

en declaraciónEl equipo destacó la alta importancia estadística de estas observaciones: 5,2σ para neutrinos electrónicos y 5,7σ para neutrinos muónicos. Esto indica que es poco probable que sean fluctuaciones de fondo y, por lo tanto, representan neutrinos reales.

El Dr. Arega enfatizó: «Estos resultados muestran la posibilidad de estudiar las interacciones de neutrinos con un sabor distintivo en energías TeV utilizando el detector de emulsión FASERν en el LHC».

Elevando los niveles de energía

Los neutrinos detectados son los neutrinos de mayor energía jamás observados desde una fuente artificial, con energías en el rango de TeV.

Específicamente, el estudio proporciona las primeras mediciones de las secciones transversales de interacción de neutrinos (la probabilidad de que los neutrinos interactúen con las partículas objetivo) en los rangos de energía 560-1740 GeV para neutrinos electrónicos y 520-1760 GeV para neutrinos muónicos.

Estas mediciones llenan un vacío crítico, ya que estudios anteriores solo han superado los 300 GeV para los neutrinos electrónicos y entre 400 GeV y 6 TeV para los neutrinos muónicos. Además, estas mediciones fueron consistentes con las predicciones del Modelo Estándar.

La capacidad de estudiar neutrinos en estas energías extremas puede arrojar luz sobre cuestiones fundamentales de la física, como por qué las partículas tienen masa y por qué hay más materia que antimateria en el universo.

Los detalles de la investigación del equipo se han publicado en Cartas de revisión de materiales El 11 de julio de 2024.