Situado en las profundidades del Observatorio de Neutrinos de Baksan, en las montañas del Cáucaso (Rusia), el blanco de galio de dos zonas, a la izquierda, contiene un tanque interior y otro exterior de galio, que es irradiado por una fuente de neutrinos electrónicos. Crédito: A. A. Shikhin
Nuevos resultados científicos confirman una anomalía observada en experimentos anteriores, que puede apuntar a una nueva partícula elemental aún no confirmada, el neutrino estéril, o indicar la necesidad de una nueva interpretación de un aspecto de la física del modelo estándar, como la sección transversal del neutrino, medida por primera vez hace 60 años. El Laboratorio Nacional de Los Álamos es la principal institución estadounidense que colabora en el experimento Baksan sobre Transiciones Estériles (BEST), cuyos resultados se han publicado recientemente en las revistas Physical Review Letters y Physical Review C.

"Los resultados son muy emocionantes", dijo Steve Elliott, analista principal de uno de los equipos que evalúan los datos y miembro de la división de Física de Los Álamos. "Esto definitivamente reafirma la anomalía que hemos visto en experimentos anteriores. Pero lo que esto significa no es obvio. Ahora hay resultados contradictorios sobre los neutrinos estériles. Si los resultados indican que la física nuclear o atómica fundamental está mal entendida, eso también sería muy interesante." Otros miembros del equipo de Los Álamos son Ralph Massarczyk e Inwook Kim.

A más de un kilómetro y medio bajo tierra, en el Observatorio de Neutrinos de Baksan, en las montañas rusas del Cáucaso, BEST utilizó 26 discos irradiados de cromo 51, un radioisótopo sintético del cromo y la fuente de 3,4 megacurie de neutrinos de electrones, para irradiar un tanque interior y otro exterior de galio, un metal blando y plateado que también se utilizó en experimentos anteriores, aunque previamente en un montaje de un solo tanque. La reacción entre los neutrinos electrónicos del cromo 51 y el galio produce el isótopo germanio 71.

La tasa de producción de germanio 71 medida fue entre un 20 y un 24% inferior a la esperada según los modelos teóricos. Esta discrepancia coincide con la anomalía observada en experimentos anteriores.

Un conjunto de 26 discos irradiados de cromo 51 son la fuente de neutrinos de electrones que reaccionan con el galio y producen germanio 71 a tasas que pueden medirse con respecto a las tasas previstas. Crédito: A. A. Shikhin
BEST se basa en un experimento de neutrinos solares, el Experimento Soviético-Americano de Galio (SAGE), en el que el Laboratorio Nacional de Los Álamos fue uno de los principales colaboradores, a partir de finales de la década de 1980. Ese experimento también utilizaba galio y fuentes de neutrinos de alta intensidad. Los resultados de ese experimento y de otros indicaron un déficit de neutrinos electrónicos, una discrepancia entre los resultados previstos y los reales que llegó a conocerse como la "anomalía del galio". Una interpretación del déficit podría ser una prueba de las oscilaciones entre los estados del neutrino electrónico y del neutrino estéril.

La misma anomalía se repitió en el experimento BEST. Las posibles explicaciones incluyen de nuevo la oscilación en un neutrino estéril. La hipotética partícula podría constituir una parte importante de la materia oscura, una forma prospectiva de materia que se cree que constituye la gran mayoría del universo físico. Sin embargo, esta interpretación puede necesitar más pruebas, ya que la medición de cada depósito fue aproximadamente la misma, aunque más baja de lo esperado.

Otras explicaciones de la anomalía incluyen la posibilidad de un malentendido en las aportaciones teóricas al experimento, es decir, que la propia física requiere una revisión. Elliott señala que la sección transversal del neutrino electrónico nunca se ha medido a estas energías. Por ejemplo, una aportación teórica para medir la sección transversal, que es difícil de confirmar, es la densidad de electrones en el núcleo atómico.

La metodología del experimento se revisó a fondo para garantizar que no se cometieran errores en aspectos de la investigación, como la colocación de la fuente de radiación o las operaciones del sistema de recuento. Las futuras iteraciones del experimento, si se llevan a cabo, pueden incluir una fuente de radiación diferente con mayor energía, mayor vida media y sensibilidad a longitudes de onda de oscilación más cortas.

Más información: V. V. Barinov et al, Results from the Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST), Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.232501

V. V. Barinov et al, Search for electron-neutrino transitions to sterile states in the BEST experiment, Physical Review C (2022). DOI: 10.1103/PhysRevC.105.065502

Fuente: Los Alamos National Laboratory