Neutrino estéril

Partícula hipotética que interactúa únicamente a través de la gravedad

Los neutrinos estériles (o neutrinos inertes ) son partículas hipotéticas ( leptones neutrales – neutrinos ) que interactúan solo 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 tienen una carga de isospín de ⁠±+1/ 2 ⁠ y participan en la interacción débil . El término generalmente se refiere a neutrinos con quiralidad dextrógira (ver neutrino dextrógiro ), que pueden insertarse en el Modelo Estándar. Las partículas que poseen los números cuánticos de los 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 de neutrinos activos inferidas a partir de la oscilación de neutrinos . ^[3] La masa de los propios neutrinos diestros es desconocida y podría tener cualquier valor entre10 ¹⁵  GeV y menos de 1 eV. ^[4] Para cumplir con las teorías de leptogénesis y 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 mediante la mezcla entre 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 de neutrinos activos 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 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 levógiras (espín antiparalelo al momento ), y todos los antineutrinos tienen helicidades dextrógiras, dentro del margen de error. ^[3] En el límite sin masa, significa que solo se observa una de las dos posibles quiralidades para cada partícula. Estas son las únicas helicidades (y quiralidades) 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, lo que no predice el Modelo Estándar y sugiere una física nueva y desconocida. ^[10] Esta masa inesperada explica los neutrinos con helicidad dextrógira y los antineutrinos con helicidad levógira: 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, todos los neutrinos se han observado con} quiralidad levógira y todos los antineutrinos con quiralidad dextrógira. (Véase Quiralidad (física) § Quiralidad y helicidad para 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 marco 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 no tenga masa, la quiralidad no se conserva durante la propagación de una partícula libre a través del espacio (nominalmente, a través de la interacción con el campo de Higgs ).

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

Propiedades

Tales partículas pertenecerían a una representación singlete con respecto a la interacción fuerte y la interacción débil , teniendo carga eléctrica cero , hipercarga débil cero, isospín débil cero y, como con los otros leptones , carga de color cero , aunque se representan convencionalmente con un número cuántico B − L de −1. ^[13] Si el Modelo Estándar está integrado en una hipotética teoría gran unificada SO(10) , se les puede asignar una carga X de −5. El antineutrino zurdo tiene un 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 las interacciones electromagnéticas , débiles o fuertes , lo que los hace extremadamente difíciles de detectar. Tienen interacciones de Yukawa con leptones ordinarios y bosones de Higgs , lo que a través del mecanismo de Higgs conduce a la 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 mecánico-cuántica que se ve suprimida por un pequeño ángulo de mezcla. Esto 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 teorías de gran unificación , como SO(10) , también interactúan a través de interacciones de calibre que están extremadamente suprimidas a energías ordinarias porque su bosón de calibre derivado de SO(10) es extremadamente masivo. No aparecen en absoluto en algunas otras GUT, como el modelo de Georgi-Glashow ( es decir , todas sus cargas SU(5) o números cuánticos son cero).

Masa

Todas las partículas son inicialmente sin masa bajo 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 de Yukawa no nulos entre los componentes levógiros de los fermiones, el campo de Higgs y sus componentes diestras. Esto ocurre cuando el campo de Higgs del doblete SU (2) adquiere su valor esperado de vacío no nulo, , rompiendo espontáneamente su simetría SU(2) _L × U(1), y produciendo así acoplamientos de Yukawa no nulos: ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle \nu }$

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

Tal es el caso de los leptones cargados, como el electrón, pero dentro del Modelo Estándar el neutrino dextrógiro no existe. Por lo tanto, en ausencia de los neutrinos quirales dextrógiros estériles que se apareen con los neutrinos quirales izquierdos, incluso con el acoplamiento de Yukawa los neutrinos activos permanecen sin masa. En otras palabras, no hay términos generadores de masa para los neutrinos bajo el Modelo Estándar: para cada generación, el modelo solo contiene un neutrino levógiro y su antipartícula, un antineutrino dextrógiro, cada uno de los cuales se produce en estados propios débiles durante interacciones débiles; los neutrinos "estériles" se omiten. (Véase las masas de los neutrinos en el Modelo Estándar para una explicación detallada.)

En el mecanismo de balancín , el modelo se extiende para incluir los neutrinos diestros y los antineutrinos zurdos faltantes; se plantea entonces 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 , isospín débil y carga eléctrica que su antipartícula, porque todos estos son cero y, por lo tanto, no se ven afectados por la inversión de signo . ^[a]

Términos de Dirac y Majorana

Los neutrinos estériles permiten la introducción de un término de masa de Dirac , como es habitual. Esto puede dar como resultado 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 de los extremos superior e inferior difieren en un factor de 40.

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

Es posible incluir tanto términos de Dirac como de 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 beta doble sin neutrinos . ^[14] El otro caso es que sea 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 los campos libres, un campo de Majorana se define como un estado propio de conjugación de carga. Sin embargo, los neutrinos interactúan solo a través de las interacciones débiles, que no son invariantes bajo la conjugación de carga (C), por lo que un neutrino de Majorana en interacción 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 solo si su masa en reposo no es cero. Para los neutrinos de Dirac, los momentos dipolares son proporcionales a la masa y se desvanecerían para una partícula sin masa. Sin embargo, tanto los términos de masa de Majorana como los de Dirac se pueden insertar en el lagrangiano de masa .

Mecanismo de balancín

Además del neutrino zurdo, que se acopla a su leptón familiar cargado en corrientes de carga débil, si también hay un neutrino estéril diestro asociado (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 masa y lateralidad que ya no se conservan exactamente (por lo tanto, "neutrino zurdo" significaría que el estado es mayoritariamente zurdo y "neutrino diestro" significaría mayoritariamente diestro). Para obtener los estados propios de masa de los neutrinos, 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 es la masa del leptón neutro pesado, que es grande, y son términos de masa de tamaño intermedio, que interconectan las masas de los 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" hacia los neutrinos activos. ${\displaystyle \ M_{\text{NHL}}\ ,}$ ${\displaystyle \ m_{\text{D}}\ }$ ${\displaystyle \ m_{\text{D}}\ }$ ${\displaystyle \ M_{\text{NHL}}\ ,}$

Además de la evidencia empírica, también existe una justificación teórica para el mecanismo de balancín en varias extensiones del Modelo Estándar. Tanto las Teorías de 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 modelos GUT y de izquierda a derecha, el neutrino diestro es extremadamente pesado: mientras que el valor propio más pequeño está dado aproximadamente por ${\textstyle M_{\text{NHL}}\sim 10^{5}\ldots 10^{12}{\text{ GeV }},}$

${\displaystyle m_{\nu }\approx {\frac {m_{\text{D}}^{2}}{M_{\text{NHL}}}}\ .}$^[16]

Este es el mecanismo de sube y baja : a medida que el neutrino dextrógiro estéril se vuelve más pesado, el neutrino zurdo normal se vuelve más ligero. El neutrino zurdo es una mezcla de dos neutrinos de Majorana y este proceso de mezcla es el que genera la masa del 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), expliquen toda la materia oscura. ^[18]

Como no se conocen límites para la masa de los neutrinos estériles, aún no se ha descartado la posibilidad de que el neutrino estéril sea materia oscura, como se ha hecho con los neutrinos activos. Si la materia oscura consiste en neutrinos estériles, entonces se pueden aplicar ciertas restricciones a sus propiedades. En primer lugar, para producir la estructura del universo observada hoy, la masa del neutrino estéril tendría que estar en la escala de keV , con base en el espacio de parámetros de los modelos supersimétricos restantes que aún no han sido excluidos por experimentos. ^[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 establece un límite superior en la fuerza de la mezcla entre neutrinos estériles y activos en el mecanismo de balancín. ^[20] De lo que se sabe sobre la partícula hasta ahora, el neutrino estéril es un candidato prometedor para la materia oscura, pero como con todas las demás partículas de materia oscura propuestas, aún está por confirmar su existencia.

Intentos de detección

La producción y desintegración de neutrinos estériles podría ocurrir mediante la mezcla con neutrinos virtuales ("de capa desprovista de masa"). Se han llevado a cabo varios experimentos para descubrir u observar neutrinos no estériles, por ejemplo, el experimento NuTeV (E815) en Fermilab o el LEP-L3 en el CERN. Todos ellos condujeron a establecer límites a la observación, en lugar de a la observación real de esas partículas. Si de hecho son un componente de la materia oscura, se necesitarían detectores de rayos X sensibles para observar la radiación emitida por sus desintegraciones. ^[21]

El detector MiniBooNE (interior mostrado) 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 la ruptura de 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 de tipo 1, tanto las masas de Dirac como las de Majorana se utilizan para reducir las masas de los neutrinos ordinarios y hacer que los neutrinos estériles sean mucho más pesados ​​que los neutrinos interactuantes del Modelo Estándar. En los modelos de balancín de escala GUT, los neutrinos pesados ​​pueden ser tan pesados ​​como 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 ligeros que los bosones de calibre débiles W y Z . ^[24] Un bosón ligero (con la masaSe sugirió que el neutrino estéril de ≈1 eV era una posible explicación de los resultados del experimento del detector de neutrinos de centelleo líquido . El 11 de abril de 2007, los investigadores del experimento MiniBooNE en Fermilab anunciaron que no habían encontrado ninguna evidencia que apoyara la existencia de dicho neutrino estéril. ^[25] Resultados y análisis más recientes han proporcionado cierto respaldo 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 buscó un neutrino estéril ligero y excluyó algunas regiones de masa. ^[28] La colaboración Daya Bay midió el espectro de energía de los antineutrinos y descubrió que los antineutrinos con una energía de alrededor de 5 MeV son excesivos 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.

El número 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 se expandió el cosmos en sus épocas más tempranas: más neutrinos significa una expansión más rápida. La publicación de datos del satélite Planck de 2013 es compatible 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 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, y más bien 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 en los que se observaba un déficit del 20 al 24 % en la producción del isótopo germanio esperado a partir de la reacción ⁷¹ Ga + ν _e → e ⁻ + ⁷¹ Ge . La denominada "anomalía del galio" sugiere que una explicación de los neutrinos estériles podría ser coherente con los datos. ^{[33] [34] [35]}

En enero de 2023, el experimento STEREO publicó su resultado final, informando de la medición más precisa del espectro de energía de los antineutrinos asociados a la fisión del uranio-235 . Los datos son consistentes con el Modelo Estándar y rechazan la hipótesis de un neutrino estéril ligero 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 a 3 GeV. ^[37]

Véase también

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

Notas al pie

1. Y como ocurre con todos los demás pares de partículas/antipartículas, el neutrino estéril de quiral derecho y el antineutrino de quiral izquierdo también tendrían una masa idéntica, distinta de cero. La quiralidad, el número leptónico y el sabor (si lo hay) son los únicos números cuánticos que distinguen a 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, isospín débil opuesto y quiralidad opuesta, entre otras cargas opuestas. De manera similar, un quark up tiene una carga de ⁠++2/3⁠ y, 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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