La detección de neutrinos y la materia como destacados en un evento internacional

Científicos y estudiantes de diversos países participan en un curso intensivo organizado por el International Center for Theoretical Physics - South American Institute for Fundamental Research en São Paulo

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – De acuerdo con las estimaciones más actualizadas, la materia conocida compone tan sólo un 4% del contenido del Universo aproximadamente, en tanto que la “materia oscura” responde por más del 20% y la “energía oscura” por más del 70%. 

La materia oscura, teorizada desde hace décadas como una parte imprescindible del balance gravitacional del Universo a varias escalas, aún no ha sido detectada. Otro tipo de partículas huidizas y misteriosas es el de los neutrinos, postulados por Wolfgang Pauli en 1930 y detectados experimentalmente por Clyde Cowan y Frederick Reines sólo en 1956.

La materia oscura y los neutrinos tienen muchas cosas en común. Son sumamente abundantes: el neutrino es la partícula con masa más abundante del llamado modelo estándar. Interactúan muy poco con la materia ordinaria, de allí la gran dificultad para detectarlos. Y actualmente se piensa en la posibilidad de que un cierto tipo de neutrinos –los denominados “estériles”, debido a que no participan en la interacción nuclear débil– compondría las existencias de materia oscura junto con otras partículas exóticas.

Actualmente se lleva adelante un enorme esfuerzo de investigación en ambas áreas, con megaproyectos tales como el Dune y el Dark Side. El objetivo de la School on Dark Matter and Neutrino Detection, que tendrá lugar hasta el día 3 de agosto en el International Center for Theoretical Physics - South American Institute for Fundamental Research (ICTP-SAIFR), consiste en formar una nueva generación de físicos en Brasil y en Latinoamérica que pueda actuar teórica y/o experimentalmente en esos dos campos de investigación. El ICTP-SAIFR, cuya sede se encuentra en el Instituto de Física Teórica de la Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp), en São Paulo, cuenta con financiación de la FAPESP. 

“Esta escuela reúne a científicos de renombre internacional tanto brasileños como extranjeros, que desarrollan ambos temas en forma integrada, aliando teoría y experimentos. Por cierto, ésta es una característica fundamental e innovadora de la escuela, en la cual durante la primera semana se aborda la fundamentación teórica, y en la segunda, los métodos de detección y experimentos asociados, tanto los que se encuentran en curso como los que están en etapa de construcción o de planificación”, declaró Martin Makler, coordinador del evento, a Agência FAPESP.

Esta escuela, organizada por científicos del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), de la Universidad de São Paulo (USP), de la Universidad Federal de Goiás (UFG) y de la Universidad Federal del Rio de Janeiro (UFRJ), cuenta con el apoyo de la FAPESP y de la Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Nivel Superior (Capes).

“La escuela pretende aportar una base a los participantes, al resumir el estado del arte del conocimiento y señalar cuáles son los grandes temas que motivan el trabajo teórico y experimental en ambos campos. Además de conferencias generales, hay sesiones de discusión que les permiten a los alumnos dialogar más directamente con los docentes. Y trabajos experimentales en pequeños grupos que ilustran las técnicas utilizadas en los grandes proyectos de investigación”, dijo Makler. 

“La comunidad científica anhela fuertemente que experimentos de gran porte como el Dune ayuden a responder importantes cuestiones aún abiertas. El hecho de que el Universo esté compuesto únicamente por materia y no por antimateria, por ejemplo”, dijo.

WIMPS y axiones

En el modelo estándar de la física de partículas, los neutrinos forman parte de la familia de los leptones. Por cada leptón cargado eléctricamente (electrones, muones y taus), existe un neutrino correspondiente (neutrino del electrón, neutrino del muón y neutrino del tau). 

La “oscilación de los neutrinos”, es decir, la transformación de un tipo en otro, se produce espontáneamente durante la propagación de la partícula por el espacio. Uno de los principales objetivos del Dune consiste en comparar el patrón de oscilación de los neutrinos con el patrón de oscilación de los antineutrinos (las antipartículas de los neutrinos, que se distinguen de los neutrinos pues tienen su espín con sentido horario en lugar de antihorario). 

Si estos patrones no son rigurosamente simétricos, el experimento suministrará una prueba concreta de la llamada “violación de la simetría de carga-paridad de los leptones” (CPV, de charge-parity violation). Dicha violación habría producido un pequeño excedente de materia con relación a la antimateria inmediatamente después del Big Bang. Y ese excedente compondría actualmente todo el universo observable.

“En cuanto a la materia oscura, toda la astrofísica apunta hacia su existencia. Incluso en una investigación realizada en el Instituto de Física Teórica de la Unesp y publicada en la revista Nature, recientemente se midió la cantidad de materia oscura existente en la Vía Láctea. Esta evidencia, obtenida a través del balance gravitacional, ya se ha verificado también en otras galaxias, en agrupaciones de galaxias y en la estructura a gran escala del Universo. En principio, una partícula explicaría todo esto. Pero esta partícula hasta ahora no ha sido detectada”, dijo Makler.

Todos los experimentos en curso o proyectados contemplan que la materia oscura pueda mantener algún otro tipo de interacción además de la gravitacional. Durante la última década, varios de estos experimentos se orientaron hacia la detección de una partícula hipotética llamada WIMP (weakly interacting massive particle, o partícula masiva que interactúa débilmente). Pero aún no se ha arribado a un resultado, lo que ha abierto espacio para la formulación de nuevos modelos teóricos y nuevos experimentos. Una propuesta que ha venido cobrando fuerza es la de la partícula llamada axión.

“La WIMP sería una partícula de masa grande, comparable con las masas de las partículas elementales conocidas, producida en un Universo primordial muy caliente y muy denso, mediante un mecanismo similar al que habría dado origen a las partículas conocidas. El enfriamiento del Universo habría fijado la cantidad de WIMPS existentes, los cuales, debido a que participan en la interacción electromagnética, no habrían sido detectados hasta ahora. En tanto, los axiones serían partículas extremadamente livianas y frías, producidas por un mecanismo distinto, y capaces de responder a un campo magnético muy fuerte”, dijo Makler. 

Existen actualmente modelos que suponen la interacción directa de la materia oscura con la materia conocida a través de la interacción nuclear débil. Los modelos más complejos que suponen la existencia de una partícula mediadora, tal como el denominado “fotón oscuro”, por ejemplo. E incluso modelos en los cuales la materia oscura formaría estados unidos, tales como átomos y moléculas.

Estos distintos escenarios forman parte del objetivo de la School on Dark Matter and Neutrino Detection. Mientras que la primera semana apunta a impartirles a los alumnos una formación teórica de base, la segunda viene con nombres importantes en el área de detección, tanto de neutrinos como de materia oscura.

Entre los diversos participantes puede mencionarse a Stefan Soldner-Rembold y Ettore Segreto en neutrinos, a Andrew Sonnenschein en axiones y WIMPS, a Enectali Figueroa-Feliciano en neutrinos estériles y a Juan Estrada en la tecnología de detección mediante CCD (charge-coupled device) para neutrinos y materia oscura. 

El evento cuenta con la participación de estudiantes de Brasil, México, Colombia, Perú, Chile, Argentina y Canadá. Las clases teóricas inaugurales de la escuela estuvieron a cargo de Fabio Iocco (materia oscura) y André de Gouvea (neutrinos). Puede leerse la programación completa en el siguiente enlace: http://www.ictp-saifr.org/school-on-dark-matter-and-neutrino-detection/.