neutrino estéril

Partícula hipotética que interactúa solo a través de la gravedad.

Los neutrinos estériles (o neutrinos inertes ) son partículas hipotéticas ( leptones neutros – neutrinos ) que interactúan únicamente a través de la gravedad y no a través de ninguna de las otras interacciones fundamentales del modelo estándar . ^[1] El término neutrino estéril se utiliza para distinguirlos de los neutrinos activos ordinarios conocidos en el Modelo Estándar , que llevan una carga de isospín de ±+1/ 2 y participar en la interacción débil . El término normalmente se refiere a neutrinos con quiralidad diestra (ver neutrino diestro ), que pueden insertarse en el modelo estándar. Las partículas que poseen los números cuánticos de neutrinos estériles y masas lo suficientemente grandes como para no interferir con la teoría actual de la nucleosíntesis del Big Bang a menudo se denominan leptones pesados ​​neutros (NHL) o leptones neutros pesados ​​(HNL). ^[2]

La existencia de neutrinos diestros está teóricamente bien motivada, porque los neutrinos activos conocidos son zurdos y todos los demás fermiones conocidos se han observado con quiralidad tanto izquierda como derecha . ^[3] También podrían explicar de forma natural las pequeñas masas activas de neutrinos inferidas de la oscilación de neutrinos . ^[3] La masa de los neutrinos diestros es desconocida y podría tener cualquier valor entre10 ¹⁵  GeV y menos de 1 eV. ^[4] Para cumplir con las teorías de la leptogénesis y la materia oscura , debe haber al menos 3 sabores de neutrinos estériles (si existen). ^[5] Esto contrasta con el número de tipos de neutrinos activos necesarios para garantizar que la interacción electrodébil esté libre de anomalías, que debe ser exactamente  3: el número de leptones cargados y generaciones de quarks .

La búsqueda de neutrinos estériles es un área activa de la física de partículas . Si existen y su masa es menor que las energías de las partículas en el experimento, se pueden producir en el laboratorio, ya sea mezclando neutrinos activos y estériles o en colisiones de partículas de alta energía. Si son más pesados, la única consecuencia directamente observable de su existencia serían las masas activas de neutrinos observadas. Sin embargo, pueden ser responsables de una serie de fenómenos inexplicables en la cosmología física y la astrofísica , incluida la materia oscura , la bariogénesis o la hipotética radiación oscura . ^[4] En mayo de 2018, los físicos del experimento MiniBooNE informaron de una señal de oscilación de neutrinos más fuerte de lo esperado, un posible indicio de neutrinos estériles. ^{[6] [7]} Sin embargo, los resultados del experimento MicroBooNE no mostraron evidencia de neutrinos estériles en octubre de 2021. ^[8]

Motivación

Los resultados experimentales muestran que todos los neutrinos producidos y observados tienen helicidades zurdas (giro antiparalelo al impulso ), y todos los antineutrinos tienen helicidades diestras, dentro del margen de error. ^[3] En el límite sin masa, significa que solo se observa una de dos posibles quiralidades para cada partícula. Éstas son las únicas helicidades (y quirales) permitidas en el Modelo Estándar de interacciones de partículas; las partículas con helicidades contrarias están explícitamente excluidas de las fórmulas. ^[9]

Sin embargo, experimentos recientes, como la oscilación de neutrinos , han demostrado que los neutrinos tienen una masa distinta de cero, que el modelo estándar no predice y sugiere una física nueva y desconocida. ^[10] Esta masa inesperada explica los neutrinos con helicidad diestra y los antineutrinos con helicidad zurda: dado que no se mueven a la velocidad de la luz, su helicidad no es invariante relativista (es posible moverse más rápido que ellos y observar la helicidad opuesta). ^{[11] Sin embargo, se ha observado que todos los neutrinos tienen} quiralidad zurda y todos los antineutrinos tienen quiralidad diestra. (Ver Quiralidad (física) § Quiralidad y helicidad para conocer la diferencia).

La quiralidad es una propiedad fundamental de las partículas y es relativistamente invariante: es la misma independientemente de la velocidad y la masa de la partícula en cada sistema de referencia inercial. ^[12] Sin embargo, una partícula con masa que comienza con quiralidad zurda puede desarrollar un componente diestro a medida que viaja; a menos que carezca de masa, la quiralidad no se conserva durante la propagación de una partícula libre a través del espacio (nominalmente, a través de interacción con el campo de Higgs ).

Por tanto, la pregunta sigue siendo: ¿los neutrinos y los antineutrinos difieren sólo en su quiralidad? ¿O los neutrinos diestros y los antineutrinos zurdos exóticos existen como partículas separadas de los neutrinos zurdos y antineutrinos diestros comunes?

Propiedades

Tales partículas pertenecerían a una representación singlete con respecto a la interacción fuerte y a la interacción débil , teniendo carga eléctrica cero , hipercarga débil cero , isospín débil cero y, como ocurre con los demás leptones , carga de color cero , aunque convencionalmente se representan como tener un número cuántico B − L de −1. ^[13] Si el modelo estándar está integrado en una hipotética gran teoría unificada SO(10) , se les puede asignar una carga X de −5. El antineutrino zurdo tiene una carga B − L de +1 y una carga X de +5.

Debido a la falta de carga eléctrica, hipercarga y carga de color, los neutrinos estériles no interactuarían a través de interacciones electromagnéticas , débiles o fuertes , lo que los hace extremadamente difíciles de detectar. Tienen interacciones Yukawa con leptones ordinarios y bosones de Higgs , que a través del mecanismo de Higgs conducen a una mezcla con neutrinos ordinarios.

En experimentos con energías superiores a su masa, los neutrinos estériles participarían en todos los procesos en los que participan los neutrinos ordinarios, pero con una probabilidad mecánicocuántica que queda suprimida por un pequeño ángulo de mezcla. Eso hace posible producirlos en experimentos, si son lo suficientemente ligeros como para estar al alcance de los aceleradores de partículas actuales.

También interactuarían gravitacionalmente debido a su masa, y si son lo suficientemente pesados, podrían explicar la materia oscura fría o la materia oscura cálida . En algunas grandes teorías de unificación , como SO(10) , también interactúan a través de interacciones de calibre que están extremadamente suprimidas en energías ordinarias porque su bosón de calibre derivado de SO(10) es extremadamente masivo. No aparecen en absoluto en algunos otros GUT, como el modelo de Georgi-Glashow ( es decir , todas sus cargas SU(5) o números cuánticos son cero).

Masa

Inicialmente, ninguna partícula carece de masa según el modelo estándar, ya que no hay términos de masa de Dirac en el lagrangiano del modelo estándar . Los únicos términos de masa son generados por el mecanismo de Higgs , que produce acoplamientos Yukawa distintos de cero entre los componentes zurdos de los fermiones, el campo de Higgs , y sus componentes diestros. Esto ocurre cuando el campo de Higgs doblete SU (2) adquiere su valor esperado de vacío distinto de cero, rompiendo espontáneamente su simetría SU (2) _L × U (1) y produciendo así acoplamientos Yukawa distintos de cero: ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle \nu }$

${\displaystyle {\mathcal {L}}(\psi )={\bar {\psi }}(i\partial \!\!\!/)\psi -G{\bar {\psi }}_{L}\phi \psi _{R}}$

Tal es el caso de los leptones cargados, como el electrón, pero dentro del Modelo Estándar el neutrino diestro no existe. Por lo tanto, en ausencia de los neutrinos quirales derechos estériles para emparejarse con los neutrinos quirales izquierdos, incluso con el acoplamiento de Yukawa los neutrinos activos permanecen sin masa. En otras palabras, no existen términos generadores de masa para los neutrinos en el modelo estándar: para cada generación, el modelo sólo contiene un neutrino zurdo y su antipartícula, un antineutrino diestro, cada uno de los cuales se produce en estados propios débiles durante interacciones débiles; se omiten los neutrinos "estériles". (Ver masas de neutrinos en el Modelo Estándar para una explicación detallada).

En el mecanismo de balancín , el modelo se amplía para incluir los neutrinos diestros y los antineutrinos zurdos que faltan; Entonces se plantea la hipótesis de que uno de los vectores propios de la matriz de masa de neutrinos es notablemente más pesado que el otro.

Un neutrino estéril (quiral derecho) tendría la misma hipercarga débil , isospin débil y carga eléctrica que su antipartícula, porque todas ellas son cero y, por lo tanto, no se ven afectadas por la inversión de signos . ^[a]

Términos de Dirac y Majorana

Los neutrinos estériles permiten, como es habitual, la introducción de un término de masa de Dirac . Esto puede producir la masa del neutrino observada, pero requiere que la fuerza del acoplamiento de Yukawa sea mucho más débil para el neutrino electrónico que para el electrón, sin explicación. Se observan problemas similares (aunque menos graves) en el sector de los quarks, donde las masas superior e inferior difieren en un factor de 40.

A diferencia del neutrino zurdo, se puede agregar un término de masa de Majorana para un neutrino estéril sin violar las simetrías locales (isospin débil e hipercarga débil), ya que no tiene carga débil. Sin embargo, esto aún violaría el número total de leptones .

Es posible incluir términos de Dirac y Majorana: esto se hace en el mecanismo de balancín (abajo). Además de satisfacer la ecuación de Majorana , si el neutrino fuera también su propia antipartícula , entonces sería el primer fermión de Majorana . En ese caso, podría aniquilarse con otro neutrino, permitiendo la desintegración doble beta sin neutrinos . ^[14] El otro caso es que se trata de un fermión de Dirac , que no es su propia antipartícula.

Para poner esto en términos matemáticos, tenemos que hacer uso de las propiedades de transformación de las partículas. Para campos libres, un campo de Majorana se define como un estado propio de conjugación de carga. Sin embargo, los neutrinos interactúan sólo a través de interacciones débiles, que no son invariantes bajo conjugación de carga (C), por lo que un neutrino de Majorana que interactúa no puede ser un estado propio de C. La definición generalizada es: "un campo de neutrinos de Majorana es un estado propio de la transformación CP ". En consecuencia, los neutrinos de Majorana y Dirac se comportarían de manera diferente bajo transformaciones CP (en realidad, transformaciones de Lorentz y CPT ). Además, un neutrino de Dirac masivo tendría momentos dipolares magnéticos y eléctricos distintos de cero , mientras que un neutrino de Majorana no los tendría. Sin embargo, los neutrinos de Majorana y Dirac son diferentes sólo si su masa en reposo no es cero. Para los neutrinos de Dirac, los momentos dipolares son proporcionales a la masa y desaparecerían en el caso de una partícula sin masa. Sin embargo, tanto los términos de masa de Majorana como los de Dirac pueden aparecer en el lagrangiano de masas .

Mecanismo de balancín

Además del neutrino zurdo, que se acopla a su leptón cargado familiar en corrientes cargadas débiles, si también hay un neutrino estéril diestro (un isosinglete débil con carga cero), entonces es posible agregar un término de masa de Majorana. sin violar la simetría electrodébil. ^[15]

Tanto los neutrinos zurdos como los diestros podrían tener entonces una masa y una orientación que ya no se conservan exactamente (por lo tanto, "neutrino zurdo" significaría que el estado es mayoritariamente izquierdo y "neutrino diestro" significaría mayoritariamente diestros). ). Para obtener los estados propios de la masa del neutrino, tenemos que diagonalizar la matriz de masa general. ${\displaystyle \ M_{\nu }:}$

${\displaystyle M_{\nu }\approx {\begin{pmatrix}0&m_{\text{D}}\\m_{\text{D}}&M_{\text{NHL}}\end{pmatrix}}}$

donde está la masa del leptón pesado neutro, que es grande, y son términos de masa de tamaño intermedio, que interconectan las masas de neutrinos estériles y activos. La matriz asigna nominalmente masa cero a los neutrinos activos, pero los términos proporcionan una ruta para que una pequeña parte de la enorme masa de los neutrinos estériles se "filtre" en los neutrinos activos. ${\displaystyle \ M_{\text{NHL}}\ ,}$ ${\displaystyle \ m_{\text{D}}\ }$ ${\displaystyle \ m_{\text{D}}\ }$ ${\displaystyle \ M_{\text{NHL}}\ ,}$

Aparte de la evidencia empírica, también existe una justificación teórica para el mecanismo de balancín en varias extensiones del Modelo Estándar. Tanto las Teorías de la Gran Unificación (GUT) como los modelos simétricos izquierda-derecha predicen la siguiente relación:

${\displaystyle m_{\nu }\ll m_{\text{D}}\ll M_{\text{NHL}}\ .}$

Según los GUT y los modelos izquierda-derecha, el neutrino diestro es extremadamente pesado: mientras que el valor propio más pequeño viene dado aproximadamente por ${\textstyle M_{\text{NHL}}\sim 10^{5}\ldots 10^{12}{\text{ GeV }},}$

${\displaystyle m_{\nu }\approx {\frac {m_{\text{D}}^{2}}{M_{\text{NHL}}}}\ .}$^[dieciséis]

Este es el mecanismo de balancín : a medida que el neutrino diestro estéril se vuelve más pesado, el neutrino zurdo normal se vuelve más liviano. El neutrino zurdo es una mezcla de dos neutrinos de Majorana, y este proceso de mezcla es cómo se genera la masa de neutrino estéril.

Neutrinos estériles como materia oscura

Para que una partícula sea considerada candidata a materia oscura, debe tener una masa distinta de cero y no tener carga electromagnética . ^[17] Naturalmente, los neutrinos y las partículas similares a los neutrinos son de interés en la búsqueda de materia oscura porque poseen ambas propiedades. Las observaciones sugieren que hay más materia oscura fría (no relativista) que materia oscura caliente (relativista). Por lo tanto, es poco probable que los neutrinos activos del modelo estándar, que tienen una masa muy baja (y por lo tanto velocidades muy altas), representen toda la materia oscura. ^[18]

Dado que no se conocen límites para la masa de los neutrinos estériles, todavía no se descarta la posibilidad de que el neutrino estéril sea materia oscura, como ocurre con los neutrinos activos. Si la materia oscura está formada por neutrinos estériles, entonces se pueden aplicar ciertas restricciones a sus propiedades. En primer lugar, la masa del neutrino estéril tendría que estar en la escala keV para producir la estructura del universo que se observa hoy. ^[19] En segundo lugar, si bien no se requiere que la materia oscura sea estable, la vida útil de las partículas debe ser más larga que la edad actual del universo. Esto pone un límite superior a la fuerza de la mezcla entre neutrinos estériles y activos en el mecanismo de balancín. ^[20] Por lo que se sabe sobre la partícula hasta ahora, el neutrino estéril es un candidato prometedor a materia oscura, pero como ocurre con cualquier otra partícula de materia oscura propuesta, aún no se ha confirmado su existencia.

Intentos de detección

La producción y descomposición de neutrinos estériles podría ocurrir mediante la mezcla con neutrinos virtuales ("fuera de masa"). Se realizaron varios experimentos para descubrir u observar NHL, por ejemplo el experimento NuTeV (E815) en Fermilab o LEP-L3 en CERN. Todos ellos llevaron a establecer límites a la observación, en lugar de la observación real de esas partículas. Si realmente son constituyentes de la materia oscura, se necesitarían detectores de rayos X sensibles para observar la radiación emitida por sus desintegraciones. ^[21]

El detector MiniBooNE (se muestra el interior) en Fermilab fue creado para medir la oscilación de neutrinos.

Los neutrinos estériles pueden mezclarse con neutrinos ordinarios a través de una masa de Dirac después de romper la simetría electrodébil , en analogía con los quarks y los leptones cargados. ^[22] Los neutrinos estériles y (en modelos más complicados) los neutrinos ordinarios también pueden tener masas de Majorana . En el mecanismo de balancín tipo 1 se utilizan masas de Dirac y Majorana para hacer descender masas de neutrinos ordinarios y hacer que los neutrinos estériles sean mucho más pesados ​​que los neutrinos que interactúan en el modelo estándar. En los modelos de balancín a escala GUT, los neutrinos pesados ​​pueden ser tan pesados ​​como los de la escala GUT (≈10 ^·15  GeV ). ^[23] En otros modelos, como el modelo νMSM, donde sus masas están en el rango de keV a GeV, podrían ser más livianos que los bosones de calibre débiles W y Z. ^[24] Una luz (con la masa≈1 eV ) se sugirió un neutrino estéril como posible explicación de los resultados del experimento del detector de neutrinos con centelleo líquido . El 11 de abril de 2007, los investigadores del experimento MiniBooNE del Fermilab anunciaron que no habían encontrado ninguna evidencia que respaldara la existencia de un neutrino tan estéril. ^[25] Resultados y análisis más recientes han proporcionado cierto apoyo a la existencia del neutrino estéril. ^[26]

Dos detectores separados cerca de un reactor nuclear en Francia encontraron que faltaba un 3% de antineutrinos. Sugirieron la existencia de un cuarto neutrino con una masa de 1,2 eV. ^[27] Daya Bay también ha buscado un neutrino ligero estéril y ha excluido algunas regiones de masa. ^[28] Daya Bay Collaboration midió el espectro de energía de antineutrinos y descubrió que los antineutrinos con una energía de alrededor de 5 MeV están en exceso en relación con las expectativas teóricas. También registró un 6% de antineutrinos faltantes. ^[29] Esto podría sugerir que existen neutrinos estériles o que nuestra comprensión de algún otro aspecto de los neutrinos es incompleta.

La cantidad de neutrinos y las masas de las partículas pueden tener efectos a gran escala que dan forma a la apariencia del fondo cósmico de microondas . El número total de especies de neutrinos, por ejemplo, afecta la velocidad a la que el cosmos se expandió en sus primeras épocas: más neutrinos significa una expansión más rápida. Los datos publicados por Planck Satellite 2013 son compatibles con la existencia de un neutrino estéril. El rango de masa implícito es de 0 a 3 eV. ^{[30] [ verificación fallida – ver discusión ]} En 2016, los científicos del Observatorio de Neutrinos IceCube no encontraron ninguna evidencia del neutrino estéril. ^[31] Sin embargo, en mayo de 2018, los físicos del experimento MiniBooNE informaron de una señal de oscilación de neutrinos más fuerte de lo esperado, un posible indicio de neutrinos estériles. ^{[6] [7]} Desde entonces, en octubre de 2021, los primeros resultados del experimento MicroBooNE no mostraron indicios de neutrinos estériles, sino que encontraron que los resultados se alineaban con los tres sabores de neutrinos del modelo estándar. ^[32] Sin embargo, este resultado no había encontrado una explicación para los resultados anómalos de MiniBooNE.

En junio de 2022, el experimento BEST publicó dos artículos que observaban un déficit del 20 al 24% en la producción del isótopo germanio esperado de la reacción ⁷¹ Ga + ν _e → e ⁻ + ⁷¹ Ge . La llamada "anomalía del galio" sugiere que una explicación del neutrino estéril podría ser coherente con los datos. ^{[33] [34] [35]}

En enero de 2023, el experimento STEREO publicó su resultado final, reportando la medición más precisa del espectro de energía del antineutrino asociado con la fisión del uranio-235 . Los datos son consistentes con el Modelo Estándar y rechazan la hipótesis de un neutrino ligero y estéril con una masa de alrededor de 1 eV. ^[36]

En 2023, los resultados de las búsquedas del CMS establecieron nuevos límites para los neutrinos estériles con masas de 2-3 GeV. ^{[37] [38]}

Ver también

• Lista de partículas hipotéticas
• MiniBooNE en el Fermilab
• Partícula delgada que interactúa débilmente

Notas a pie de página

1. Y como ocurre con todos los demás pares partícula/antipartícula, el neutrino quiral derecho estéril y el antineutrino quiral izquierdo también tendrían una masa idéntica, distinta de cero. La quiralidad, el número leptónico y el sabor (si los hay) son los únicos números cuánticos que distinguen un neutrino estéril de un antineutrino estéril. Para cualquier partícula cargada, por ejemplo el electrón , este no es el caso: su antipartícula, el positrón , tiene carga eléctrica opuesta, isospin débil opuesto y quiralidad opuesta, entre otras cargas opuestas. De manera similar, un quark up tiene una carga de ++2/3y, por ejemplo, una carga de color rojo, mientras que su antipartícula tiene una carga eléctrica de -+2/3y en este ejemplo una carga de color anti-rojo.

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Fuentes

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enlaces externos

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