Surplusul misterios de neutrini sugerează existența unor noi particule

Particulele care scârțâie numite neutrini oferă mai mult decât se așteptau oamenii de știință.

Un detector de particule a observat o abundență uluitoare de particule subatomice ușoare și partenerii lor de antimaterie, antineutrini, raportează fizicienii pe 30 mai pe arXiv.org. Descoperirea reflectă un exces de neutrini găsit în urmă cu mai bine de două decenii. Și această potrivire îi face pe cercetători să se întrebe dacă un nou tip de particulă numit neutrin steril – unul chiar mai întunecat decât celebrii neutrini obișnuiți evazivi – ar putea fi în libertate.

O astfel de particulă, dacă ar exista, ar transforma bazele fizicii particulelor și ar putea ajuta la rezolvarea unor puzzle-uri cosmice precum existența materiei întunecate, o substanță inertă neidentificată care constituie preponderența materiei în univers.

Noul studiu a fost realizat cu un detector de neutrini numit MiniBooNE, în timp ce excesul de neutrini anterior a fost găsit cu un alt aparat, Detectorul de neutrini cu scintilator lichid, care a funcționat în anii 1990 la Laboratorul Național Los Alamos din New Mexico. „Avem doi detectoare foarte diferiți… și avem aceleași rezultate”, spune fizicianul MiniBooNE En-Chuan Huang de la Laboratorul Național Los Alamos.

Indicii de exces de neutrini au apărut în rezultatele anterioare de la MiniBooNE, care funcționează din 2002 la Fermilab din Batavia, Illinois. Dar noua cercetare include de două ori mai multe date, făcând potopul de neutrini prea puternic pentru a fi ignorat.

Cu toate acestea, unii fizicieni se întreabă dacă semnalele în exces provin într-adevăr de la neutrini. „Evenimentele… sunt reale. Întrebarea este, ce sunt ei?” spune fizicianul neutrinilor Jonathan Link de la Virginia Tech din Blacksburg. Surplusul aparent de neutrini ar putea fi un hering roșu: alte particule pot interacționa în moduri care imită neutrinii.

Neutrinii vin în trei tipuri cunoscute: neutrini electronici, neutrini muoni și neutrini tau, numiți după electron și cei doi veri ai săi mai grei, muoni și taus. În mod ciudat, neutrinii se pot transforma de la un tip la altul: o particulă născută ca neutrin muon ar putea fi detectată ulterior ca neutrin electronic (SN: 26.1.13, str. 18).

În noul experiment, oamenii de știință au aruncat neutrini muoni și antineutrini la MiniBooNE și au căutat particule care s-au transformat în tipul de electroni. Folosind un rezervor mare de ulei mineral echipat cu detectoare sensibile de lumină, MiniBooNE a căutat mici scăpări de lumină produse în interacțiunile electron neutrini și antineutrini. Cercetătorii au observat 2.437 de interacțiuni, cu aproximativ 460 mai multe decât au fost prezis.

Acest exces poate sugera existența neutrinilor sterili, care ar putea modifica modul în care neutrinii se schimbă de la un tip la altul, determinând transformarea mai multor neutrini muoni în tipul de electroni decât se aștepta altfel. În timp ce neutrinii obișnuiți interacționează rar cu materia, neutrinii sterili nu ar interacționa deloc, cu excepția gravitației.

Neutrinii sterili au fost propuși ca un posibil candidat pentru ceea ce alcătuiește materia întunecată. Dar pentru a explica rezultatele MiniBooNE, neutrinii sterili ar trebui să fie relativ ușori – prea mici pentru a explica materia întunecată. Totuși, existența neutrinilor sterili ușori ar putea sugera că există și neutrini mai grei, spune cosmologul Kevork Abazajian de la Universitatea din California, Irvine. „Uneori oamenii spun că sunt ca gândacii: dacă ai unul [type of] neutrini sterili, ai multe.”

Alte comportamente greșite ale neutrinilor au apărut în experimente care măsoară antineutrinii electronici produși în reactoarele nucleare. Aceste experimente văd mai puține interacțiuni decât se aștepta, un rezultat care ar putea fi explicat și de un neutrin steril (SN: 19.3.16, str. 14). Dar există o inconsecvență: un neutrin steril ar trebui să provoace un deficit de neutrini muoni în alte experimente, dar asta nu a fost văzut. Aceasta înseamnă că explicația este probabil mai complicată decât existența unui singur tip de neutrin steril.

Nu este încă clar cum se potrivesc diferitele rezultate ale diferitelor experimente cu neutrini. Deocamdată, noul studiu i-a nedumerit pe fizicieni. „De fapt, nu știu ce să fac din asta”, spune fizicianul în neutrini Kate Scholberg de la Universitatea Duke. Dar fizicienii teoreticieni, spune ea, „vor mesteca asta ca nebunii”.