Investigadores del experimento OPERA en el laboratorio del Gran Sasso, dependiente del Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN, Italia), anunciaron el 31 de mayo la primera observación de una partícula tau en un haz de neutrinos del tipo muon enviado a través de la Tierra desde el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), a 730 kilómetros de distancia en Ginebra (Suiza).
Este resultado supone la pieza final para resolver un puzzle que ha sido un reto para la ciencia desde la década de los sesenta, y ofrece indicios de nueva Física. El puzzle sobre la naturaleza del neutrino comenzó con un experimento pionero ganador del premio Nobel dirigido por el científico estadounidense Ray Davis en los sesenta. Observó muchos menos neutrinos llegando a la Tierra desde el Sol de lo que predecían los modelos, por lo que, o los modelos solares eran erróneos o algo había pasado a los neutrinos en su camino. Una posible solución al enigma fue obtenida en 1969 por los físicos teóricos Bruno Pontecorvo y Vladimir Gribov, quienes fueron los primeros en sugerir que cambios (oscilaciones) entre diferentes tipos de neutrinos como si de un camaleón se tratase podrían ser los responsables de esta aparente falta de neutrinos.
Bastantes experimentos desde entonces han observado la desaparición de neutrinos muónicos, confirmando la hipótesis de la oscilación, pero hasta ahora no se había observado la aparición de un neutrino de tipo tau a partir de un haz de neutrinos muónicos. Así, los resultados de OPERA suponen la primera vez que el “neutrino camaleón” ha sido atrapado en el acto de cambiar desde el tipo muon hasta el tipo tau.
Una década de trabajo
Antonio Ereditato, portavoz de OPERA, describió el descubrimiento como “un importante resultado que recompensa a toda la colaboración internacional del experimento por sus años de compromiso. Confiamos en que después de este primer suceso vendrán otros que demostrarán completamente la apariencia de la oscilación del neutrino”.
“El experimento OPERA ha alcanzado su primer objetivo: la detección de un neutrino tau obtenido de la transformación de un neutrino muon, lo cual ha ocurrido durante el viaje desde Ginebra hasta el laboratorio de Gran Sasso”, añadió Lucia Votano, directora del centro italiano. “Este importante resultado llega después de una década de intenso trabajo realizado por la colaboración, con el apoyo del laboratorio”.
El resultado de OPERA se consigue tras 7 años de preparación y más de 3 años de haces provistos por el CERN. En ese tiempo, billones de billones de neutrinos muon han sido enviados desde el CERN hasta Gran Sasso, en un viaje que dura sólo 2.4 milisegundos. La rareza de la oscilación del neutrino, junto con el hecho de que los neutrinos interactúan muy débilmente con la materia, requiere conducir este tipo de experimentos de forma muy sutil.
El primer haz de neutrinos muon fue lanzado desde el CERN en 2006 y desde entonces los investigadores de OPERA han seleccionado cuidadosamente sus datos en busca de evidencias de partículas tau, el indicador de que el neutrino muónico ha oscilado en un neutrino tau. Una paciencia de este tipo es una virtud en la investigación en física de partículas, como explicó el presidente del INFN Roberto Petronzio: “Este éxito se debe a la tenacidad y la inventiva de los físicos de la comunidad internacional, quienes diseñaron un haz de partículas expresamente para este experimento”.
Precisión
En el CERN, los neutrinos son generados a partir de colisiones de un haz acelerado de protones. Cuando los protones alcanzan un objetivo se producen partículas llamadas piones y kaones, que decaen rápidamente en neutrinos. A diferencia de las partículas cargadas, los neutrinos no son sensibles a los campos electromagnéticos usados por los físicos para guiar las trayectorias de los haces de partículas. Los neutrinos pueden pasar a través de la materia sin interactuar con ella; mantienen la misma dirección en su movimiento que tienen desde su nacimiento. Por lo tanto, tan pronto como son producidos mantienen una dirección recta atravesando la corteza terrestre. Por esta razón es extremadamente importante que desde el principio el haz apunte hacia los laboratorios de Gran Sasso.
“Este es un paso importante para la física de neutrinos”, dijo el director general del CERN Rolf Heuer. “Mi enhorabuena al experimento OPERA y a los laboratorios de Gran Sasso, así como al departamento de aceleradores del CERN. Estamos esperando desvelar la nueva física que presagia este resultado”.
Mientras se cierra un capítulo en la comprensión de la naturaleza de los neutrinos, la observación de sus oscilaciones es una fuerte evidencia de una nueva física. En las teorías que usan los físicos para explicar el comportamiento de las partículas fundamentales, que se conoce como el Modelo Estándar, los neutrinos no tienen masa. Sin embargo, para que los neutrinos sean capaces de oscilar deben tener masa, por lo que algo debe faltar en el Modelo Estándar. A pesar de su éxito en describir las partículas que conforman el Universo visible y sus interacciones, los físicos saben que hay mucho que esta teoría no explica. Una posibilidad es la existencia de otros tipos de neutrinos no descubiertos hasta la fecha que podrían arrojar luz sobre la materia oscura, que se cree que representa alrededor de un cuarto de la masa del universo.
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