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No sabemos qué es la materia oscura. Conocemos las características de la materia oscura y gran parte de su comportamiento, por lo que sabemos qué propiedades físicas debe tener la materia oscura, pero ninguna materia conocida tiene todas las características necesarias de la materia oscura. Así que estamos perplejos.
Lo más parecido que tenemos son los neutrinos. Solo interactúan débilmente con otra materia y no interactúan fuertemente con la luz, por lo que pueden considerarse una forma de materia oscura. El único problema es que las tres variedades conocidas de neutrinos tienen masas extremadamente pequeñas. Por ello, recorren el cosmos casi a la velocidad de la luz. Esto significa que los neutrinos son una forma de materia oscura "caliente", al igual que un gas caliente está formado por moléculas que se mueven rápidamente. Basándonos en las observaciones de la materia oscura, como la agrupación de galaxias, sabemos que la materia oscura cósmica debe ser mayoritariamente fría. Los neutrinos podrían constituir una pequeña parte de la materia oscura, pero la mayor parte de esta debe ser otra cosa.
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| La helicidad de los neutrinos y antineutrinos. Crédito: Universe Review |
Pero como los neutrinos están tan cerca de satisfacer las propiedades de la materia oscura, algunos científicos han argumentado que la materia oscura podría ser una variedad aún no descubierta conocida como neutrinos estériles. Al igual que otras partículas elementales, los neutrinos tienen una característica conocida como helicidad. Básicamente, un neutrino puede girar en el sentido de las agujas del reloj a lo largo de su dirección de movimiento (helicidad izquierda) o en sentido contrario a las agujas del reloj (helicidad derecha). La mayoría de las partículas pueden tener cualquiera de los dos tipos de helicidad, pero los neutrinos son extraños. Solo vemos neutrinos zurdos y antineutrinos diestros.
Esto significa que si los neutrinos diestros existen, no interactúan con la materia regular, sólo con la gravedad. Por tanto, son "estériles". Y si tienen una masa significativamente mayor que los neutrinos regulares, los neutrinos estériles serían "fríos" y podrían ser la solución al problema de la materia oscura. Es una gran idea, sin embargo por desgracia, como muestra un nuevo estudio, no parece ser cierta.
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| El equipo inserta la cámara de proyección temporal en el criostato MicroBooNE. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab |
Este nuevo estudio examinó los datos de la colaboración MicroBooNE del Fermilab. Los neutrinos se enviaron al detector MicroBooNE para ver qué tipo de interacciones se producían con la materia regular. Estudios anteriores, como el experimento del Detector de Neutrinos del Centelleador Líquido de Los Álamos y el MiniBooNE del Fermilab, habían detectado más eventos de los que predice el modelo estándar. Una posible solución a este misterio es que los neutrinos estériles que interactúan con otros neutrinos crean un exceso de electrones en los sucesos observados. Otra posibilidad es que los fotones de fondo estén sesgando los datos. La colaboración MicroBooNE es lo suficientemente precisa como para considerar cualquiera de estas opciones y, sorprendentemente, descartar ambas. Los datos descartan los fotones de fondo con un 95% de confianza, y los neutrinos estériles con un 99%.
Si el exceso anterior observado en MiniBooNE es un efecto real (y no tenemos motivos para sospechar que no lo sea), entonces está ocurriendo algo extraño. Los neutrinos estériles podrían seguir existiendo, pero sus interacciones deben ser más sutiles de lo que predicen los modelos. También podría haber algunas interacciones complejas entre los neutrinos regulares que actualmente no se consideran en el modelo estándar. En cualquier caso, hay mucho más que entender, y sólo hemos empezado a arrojar luz sobre la respuesta.
Fuentes, créditos y referencias:
Abratenko, P., et al. “Search for Neutrino-Induced Neutral Current Delta Radiative Decay in MicroBooNE and a First Test of the MiniBooNE Low Energy Excess Under a Single-Photon Hypothesis.” arXiv preprint arXiv:2110.00409 (2021).
Créditos a Universe Today