El experimento STEREO rechaza la hipótesis del neutrino estéril

La colaboración STEREO ha excluido tras seis años de trabajo indicios de la existencia de neutrinos estériles, un estado de adicional de esta partícula elemental esperado en muchas teorías.

El resultado, que aparece en la revista Nature, tiene importantes implicaciones para muchas áreas de la física fundamental.

En la física de partículas moderna, todas las partículas elementales conocidas y sus interacciones se describen en el llamado Modelo Estándar de Física de Partículas. El modelo incluye los neutrinos, partículas inventadas en 1930 por Wolfgang Pauli para cumplir las leyes universales de conservación de la energía. Los neutrinos son muy ligeros, eléctricamente neutros e interactúan únicamente a través de la fuerza electrodébil. Por tanto, son extremadamente difíciles de detectar. Hasta 1956 no se produjo una detección experimental directa.

Hoy se conocen tres tipos diferentes de neutrinos. Estos neutrinos pueden cambiar su identidad entre estos diferentes estados debido a su masa muy pequeña, pero distinta de cero. Estas llamadas oscilaciones de neutrinos se establecieron hace unas dos décadas.

En 2011, el aumento de la precisión permitió detectar una anomalía entre el flujo de antineutrinos observado y el previsto, emitido por los reactores nucleares. Esto desencadenó la hipótesis de la existencia de un estado de neutrino suplementario que sería estéril, es decir, que no interaccionaría a través de la interacción débil. Esta partícula también podría explicar fenómenos físicos que aún no se comprenden del todo, como la materia oscura.

Para probar sin ambigüedades esta hipótesis de neutrinos estériles y determinar sus propiedades, se diseñó el experimento STEREO, que comenzó a funcionar en 2017 en el reactor de investigación nuclear de alto flujo del ILL de Grenoble. Se colocó un detector compuesto por seis elementos idénticos a tan solo 10 metros del núcleo del reactor.

El proyecto se benefició de la experiencia acumulada a lo largo de varias generaciones de experimentos de neutrinos en reactores. Protegidas del entorno exterior, las celdas del detector se encontraban en una posición ideal para buscar con una precisión sin precedentes la firma de los neutrinos estériles: las distorsiones dependientes de la posición en su distribución de energía deberían aparecer a poca distancia del reactor.

Ahora, la colaboración STEREO, formada por investigadores del Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) de Heidelberg (Alemania) y los institutos franceses CEA Saclay, CNRS, las universidades Grenoble Alpes y Savoie Mont Blanc, así como el Institut Laue-Langevin (ILL), ha publicado sus resultados más recientes combinando el conjunto completo de datos: Los físicos confirmaron una anomalía en el flujo de neutrinos emitidos por los reactores nucleares, pero los neutrinos estériles no son, sin embargo, la causa de ello.

"Pudimos observar un total de más de 100.000 neutrinos en los años 2017 a 2020, pero no pudimos determinar ningún rastro de neutrinos estériles potenciales dentro de estas mediciones", explica en un comunicado Christian Buck, uno de los investigadores principales del experimento del MPIK. "Lo más probable es que las anomalías observadas se deban a incertidumbres subestimadas en los datos nucleares de las desintegraciones radiactivas utilizados para la predicción del flujo y no a los experimentos de neutrinos en sí".

Aunque este resultado rechaza con bastante contundencia la hipótesis del neutrino estéril, sirve como un apoyo más al Modelo Estándar y su contenido en neutrinos.

Además de la búsqueda de neutrinos estériles, el experimento STEREO también proporciona la medición más precisa hasta la fecha del espectro de antineutrinos procedentes de la fisión de Uranio-235. Se pretende que sirva de espectro de referencia para futuros experimentos en reactores de alta precisión, como la determinación de la jerarquía de masas de los neutrinos o las pruebas de baja energía del Modelo Estándar. Además, las mediciones de precisión de este tipo podrían ayudar a comprender mejor los fenómenos que ocurren durante la parada de un reactor, por ejemplo.