El Gran Colisionador de Hadrones se ha utilizado para detectar todas las partículas conocidas excepto los neutrinos. Hasta ahora

Los neutrinos son algunas de las partículas más enigmáticas de toda la física. Con una carga neutra y una masa cercana a cero, los neutrinos rara vez interactúan con otra materia y, como tales, han sido notoriamente difíciles de observar. Los científicos todavía han aprendido mucho sobre ellos, incluida la identificación de tres tipos de neutrinos (electrones, muones y partículas tau), pero observarlos ha sido un asunto completamente diferente. Aunque se han detectado neutrinos utilizando equipos avanzados, los físicos esperaban comprenderlos mejor viéndolos dentro de un colisionador de partículas.

El resultado fue un éxito rotundo: un experimento que detectó neutrinos como ningún otro jamás realizado.

Ahora, gracias a científicos de dos institutos separados, se han detectado neutrinos en un colisionador, y es posible que el mundo de la física nunca vuelva a ser el mismo.

Para lograr este objetivo, investigadores de FASER (Forward Search Experiment) y SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC utilizaron el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), una máquina suiza que también es el colisionador de partículas más grande y de mayor energía del mundo. Básicamente existe como un circuito gigante construido en un túnel de 27 kilómetros (17 millas) de circunferencia. Si bien detectar neutrinos en un colisionador puede parecer una broma académica, los científicos que lo hicieron creen que pueden aprender mucho sobre la estructura atómica del universo a través de este proceso.

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"Los neutrinos se producen en abundancia en colisionadores de protones como el LHC", dijo a Phys.org Cristovao Vilela, parte de la colaboración SND@LHC. "Sin embargo, hasta ahora estos neutrinos nunca habían sido observados directamente. La muy débil interacción de los neutrinos con otras partículas hace que su detección sea muy difícil y por eso son las partículas menos estudiadas en el modelo estándar de física de partículas".

FASER detectó los neutrinos colocando su detector a lo largo de la línea de un haz de partículas de tal manera que los neutrinos de mayor energía pasaran a través de él. Utilizando 730 láminas de tungsteno de 0,044 pulgadas de espesor cada una, el equipo FASER logró seguir las trayectorias de las partículas en colisión. Al hacer esto, pudieron encontrar 153 eventos de neutrinos utilizando su detector "muy pequeño y económico".

De manera similar, el SND@LHC informó haber mostrado ocho eventos de neutrinos adicionales después de colocar su detector a un lado. Al igual que el equipo FASER, éste protegió su detector con cien metros de roca y hormigón para que la mayoría de las partículas distintas de neutrinos no pudieran atravesarlo.

El resultado fue un éxito rotundo: un experimento que detectó neutrinos como ningún otro jamás realizado.

"Anteriormente, se pensaba que la física de partículas se dividía en dos partes: experimentos de alta energía, que eran necesarios para estudiar partículas pesadas, como los quarks top y los bosones de Higgs, y experimentos de alta intensidad, que eran necesarios para estudiar neutrinos", dijo Jonathan Lee Feng, dijo a Phys.org el coportavoz de la Colaboración FASER. "Este trabajo ha demostrado que los experimentos de alta energía también pueden estudiar neutrinos, por lo que ha unido las fronteras de alta energía y alta intensidad".

"Los colisionadores de partículas existen desde hace más de 50 años y han detectado todas las partículas conocidas excepto los neutrinos", añadió.

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En cualquier segundo, aproximadamente 100 billones de neutrinos atraviesan el cuerpo humano y lo dejan ileso.

La existencia de neutrinos se planteó por primera vez como hipótesis en la década de 1930, después de que los científicos que trabajaban en el desarrollo de armas nucleares notaran que muy a menudo las reacciones nucleares parecían transportar menos energía que las partículas que las precedían. Dado que la ley de conservación establece que la energía no se puede crear ni destruir, era lógico que existieran partículas subatómicas que los humanos aún no conocían y que explicaban la energía perdida.

En 1956, los físicos Frederick Raines y Clyde Cowan dirigieron un equipo de investigadores que confirmó la existencia de neutrinos. Desde entonces, se han detectado neutrinos en el Sol, durante supernovas e incluso en interacciones entre los rayos cósmicos y la atmósfera superior. Sin embargo, todavía ha sido notoriamente difícil para los científicos realizar experimentos con partículas que casi no tienen masa y que no interactúan con otra materia. Esto es lo que hace que los experimentos del LHC sean tan innovadores.

"Con cada nueva fuente surgen nuevos conocimientos, con importantes implicaciones para muchos campos, desde la física de partículas hasta la geofísica, la astrofísica y la cosmología", escribe la colaboración FASER.

Aprender más sobre los neutrinos puede mejorar significativamente nuestro conocimiento del universo. En cualquier segundo, aproximadamente 100 billones de neutrinos atraviesan el cuerpo humano y lo dejan ileso. En 2001, los científicos descubrieron que existen tres llamados "sabores" de neutrinos, ya que oscilan a través de varios estados. Sin embargo, aunque los científicos saben muchas cosas sobre los neutrinos y han realizado experimentos exitosos en el pasado que verifican su existencia, los experimentos en el LHC representan un gran paso adelante en el conocimiento físico sobre los neutrinos. Feng lo admitió implícitamente cuando le contó a Phys.org sobre los planes para aprovechar el éxito del reciente experimento.

"Utilizaremos el detector FASER durante muchos años más y esperamos recopilar al menos 10 veces más datos", dijo Feng a Phys.org. "Un hecho particularmente interesante es que este descubrimiento inicial sólo utilizó una parte del detector. En los próximos años, podremos utilizar toda la potencia de FASER para mapear estas interacciones de neutrinos de alta energía con exquisito detalle".

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