Los recientes hallazgos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN revelan por primera vez la observación de neutrinos dentro de colisionadores, transformando paradigmas en la física de partículas.
Neutrinos: partículas elusivas en el Modelo Estándar
De acuerdo al Modelo Estándar de la física de partículas, los neutrinos se clasifican como partículas con carga neutra, siendo unas de las más abundantes en el cosmos. Sin embargo, su observación ha sido desafiante debido a su reducida probabilidad de interactuar con otros materiales.
En el pasado, los esfuerzos para detectar neutrinos se centraron en examinar fuentes conocidas utilizando equipos y detectores especializados. Estos neutrinos provienen principalmente del Sol, rayos cósmicos, supernovas, aceleradores de partículas y reactores nucleares.
Observar neutrinos en el interior de colisionadores ha sido un objetivo anhelado en la investigación. Estos colisionadores son aceleradores en los que dos haces de partículas chocan entre sí, como es el caso del LHC del CERN, ubicado en Suiza.
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Observación inédita en el LHC: las colaboraciones FASER y SND@LHC
Las colaboraciones de investigación FASER y SND@LHC han logrado observar por primera vez neutrinos provenientes de un colisionador, específicamente en el LHC del CERN. Estos hallazgos representan un salto cualitativo en el campo, con sus resultados publicados en Physical Review Letters.
Cristovao Vilela, miembro de la SND@LHC Collaboration, mencionó a Phys.org: “Los neutrinos se producen en abundancia en colisionadores de protones como el LHC. Sin embargo, hasta ahora nunca se habían observado directamente estos neutrinos”. La interacción débil de los neutrinos con otras partículas complica su detección, relegándolos a ser de las partículas menos estudiadas en el Modelo Estándar.
Estos dos proyectos de investigación, aunque distintos, utilizan el LHC del CERN y han observado de forma autónoma los primeros neutrinos de colisionador, abriendo oportunidades significativas para la investigación experimental.
FASER: una vanguardia en la observación de neutrinos
El proyecto FASER fue establecido con el propósito de observar partículas ligeras de interacción débil. Usando el detector FASER, situado a 400 m del renombrado experimento ATLAS en un túnel separado, fue el primer grupo en detectar neutrinos en el LHC.
Jonathan Lee Feng, coportavoz de la colaboración FASER, declaró a Phys.org: “Los colisionadores de partículas existen desde hace más de 50 años y han detectado todas las partículas conocidas, excepto los neutrinos”. A lo largo de la historia, cada descubrimiento de neutrinos de una nueva fuente ha otorgado información valiosa sobre el universo.
La detección se logró colocando su detector alineado con el haz, siguiendo las trayectorias de los neutrinos. A pesar de que se sabe que estos neutrinos de alta energía se generan principalmente en esta región, otros detectores del LHC poseían áreas no observables en esta dirección.
La fusión de alta energía y alta intensidad
La colaboración FASER logró detectar 153 neutrinos gracias a sus altos flujos y energías, utilizando un detector compacto y económico, desarrollado en un periodo reducido. Feng añadió: “Antes se pensaba que la física de partículas se dividía en dos partes: experimentos de alta energía, necesarios para estudiar partículas pesadas, como los quarks top y los bosones de Higgs, y experimentos de alta intensidad, necesarios para estudiar los neutrinos”.
Estos hallazgos demuestran que los experimentos de alta energía también pueden ser empleados para estudiar neutrinos, dando como resultado una confluencia entre los dominios de alta energía y alta intensidad.
Observación Pionera de Neutrinos en el Colisionador del CERN
Los neutrinos identificados por Feng y la colaboración FASER exhiben una energía récord en contextos laboratoriales, postulando una puerta para análisis profundos de las propiedades de dichas partículas y la identificación de otras entidades subatómicas.
Subsecuente al informe de FASER sobre la detección de neutrinos, el equipo de SND@LHC reportó ocho eventos vinculados con neutrinos en el LHC. El experimento SND@LHC, diseñado específicamente para esta tarea, emplea un detector de dos metros, ubicado óptimamente en un segmento del LHC con un flujo intensificado de neutrinos, a la vez que se halla protegido de los residuos de colisiones protónicas mediante 100 metros de hormigón y roca.
“Incluso con su colocación estratégica, los muones de mayor energía producidos en las colisiones llegan a nuestro detector a una velocidad decenas de millones de veces superior a la de las interacciones de los neutrinos”, detalló Vilela. La identificación de interacciones neutrínicas requirió un minucioso análisis para diferenciar las señales genuinas de las generadas por hadrones neutros.
Desafíos Analíticos y Observación de Neutrinos en SND@LHC
La colaboración SND@LHC se centró en datos recopilados entre julio y noviembre de 2022, en su ciclo inaugural de operación. Este periodo demostró ser excepcionalmente fructífero, logrando el registro del 95 % de los datos de colisión proporcionados y concretando observaciones de eventos neutrínicos colisionadores.
“La observación de neutrinos de colisión ofrece oportunidades para mediciones inéditas, que podrían desentrañar misterios del Modelo Estándar de la física de partículas”, declaró Vilela. Específicamente, se busca entender el fenómeno de las tres generaciones de fermiones y sus diferencias masivas. Además, la ubicación única del detector ofrece una perspectiva inigualable sobre la estructura de los protones en colisión.
Los descubrimientos de las colaboraciones FASER y SND@LHC potencian significativamente la investigación en física de partículas, anticipando futuros progresos en este ámbito.
Proyecciones Futuras y Potencial de los Neutrinos en el LHC
Con la confirmación de la presencia de neutrinos en el LHC, estos experimentos continuarán su misión de recolección de datos, augurando más hallazgos cruciales en el horizonte.
“El detector FASER seguirá en operación durante años, con expectativas de acumular al menos 10 veces más datos”, añadió Feng. Una perspectiva emocionante se relaciona con el uso integral del detector en futuras interacciones de neutrinos de alta energía, lo que permitirá una representación detallada de estos eventos.
Adicionalmente, los esfuerzos actuales convergen en la Forward Physics Facility, una iniciativa para erigir una nueva caverna subterránea en el LHC. Esta infraestructura facilitará la detección de innumerables neutrinos de alta energía y la búsqueda de partículas mili-cargadas y fenómenos ligados a la materia oscura.
Relevancia en la Física de Partículas y Búsqueda de Materia Oscura
La detección de neutrinos de alta energía no solo realza el estudio de estas partículas subatómicas, sino que también contribuye a una comprensión más profunda del universo. Estos hallazgos pueden ser fundamentales para desentrañar el enigma de la materia oscura, una entidad que, aunque invisible, ejerce una influencia gravitacional sobre galaxias y cúmulos de galaxias.