¿Podrían los neutrinos tener más de 3 sabores?

Supongamos una cuarta generación de neutrinos: se han considerado dos modelos opuestos.

1. Neutrino activo: ese cuarto neutrino va acompañado de un leptón de cuarta generación (el equivalente del electrón, el muón o el tau), formando un cuarto doblete para la interacción electrodébil;

2. Neutrino estéril: ese cuarto neutrino no se acopla a ninguna partícula del Modelo Estándar, de ninguna manera.

En ambos casos,$\nu_e$,$\nu_\mu$y$\nu_\tau$mezclar con esa cuarta generación, que voy a denotar$\nu_4$para no repetirme, pero las fenomenologías son completamente diferentes porque un activo$\nu_4$se puede producir en experimentos con colisionadores, mientras que uno estéril no puede. Por lo tanto, existen restricciones experimentales completamente diferentes para cada hipótesis. La respuesta corta es que los neutrinos activos deben pesar más de 40 GeV, mientras que hay algunos indicios de que podrían existir neutrinos estériles, siendo la conclusión actual que es posible tener un neutrino estéril de aproximadamente 1 eV.$^2$más pesado que el más ligero de los 3 neutrinos del Modelo Estándar.

Cabe señalar que, en una versión anterior de esta respuesta, solo consideré los neutrinos activos porque personalmente no me gusta la hipótesis del neutrino estéril, que veo como la madre de todas las evasivas, y porque encuentro que las evidencias experimentales son débiles, pero uno no le dicta a la Naturaleza cómo debe comportarse, de ahí esta corrección.

¡Las respuestas largas siguen!

neutrinos activos

Desarrollando lo que acabo de escribir, en$e^+e^-$colisiones en LEP, un$Z^0$puede decaer en un par neutrino-antineutrino, y eso incluye$\nu_4\bar{\nu}_4$también. Así que eso abre dos caminos para encontrar esa cuarta generación:$\nu_4$podría decaer a un leptón de las primeras tres generaciones, y ese leptón sería detectado; o podría escapar a la detección y contribuir a la llamada energía faltante, a la que también contribuyen todos los demás neutrinos (los neutrinos nunca se detectan en los experimentos con colisionadores). Cuanta más energía falta, mayor es la$Z^0$ancho de decaimiento, que se midió con gran precisión en LEP, por lo tanto, una restricción experimental adicional.

Entonces, ¿Cuáles fueron los resultados? La conclusión fue que$\nu_4$sería más pesado que alrededor de 40 GeV (siga los enlaces en esta página del Grupo de datos de partículas ).

Otro punto, porque esto a menudo se malinterpreta: si uno asume el modelo estándar con 3 sabores de neutrinos pero permite que sean masivos, entonces uno puede medir el número de neutrinos cuya masa es menos de la mitad de la masa de$Z^0$(nuevamente mediciones LEP). El mejor resultado es$2.984 \pm 0.008$, de nuevo de PDG . Pero eso no significa que uno haya probado que solo hay 3 sabores, como se discutió en el párrafo anterior, ya que son posibles neutrinos más pesados. Ese resultado cercano a 3 básicamente nos dice que un cuarto neutrino activo tiene que ser más pesado, siendo el límite inferior el dado en mi primer párrafo.

neutrinos estériles

Dentro de esta hipótesis, los experimentos con colisionadores no son de ayuda ya que$\nu_4$no se puede producir en las colisiones de partículas del Modelo Estándar. Solo los experimentos de oscilación de neutrinos pueden detectarlos, a través de la desaparición adicional de$\nu_e$y$\nu_\mu$de lo previsto con solo el modelo estándar de tres sabores (no incluyo$\nu_\tau$porque apenas lo hemos detectado en estos experimentos). Varios experimentos con neutrinos han visto ligeras desviaciones de los modelos de 3 sabores, lo que favorecería un neutrino levemente estéril. Imho, ninguno de esos resultados es individualmente muy convincente, pero en conjunto, ganan un poco de fuerza porque provienen de experimentos muy diferentes y, lo que es más importante, experimentos que prueban diferentes energías de neutrinos. Alrededor de 2013, se realizaron dos análisis globales, tomando los datos de todos los experimentos y luego tratando de ajustar el mismo modelo a todos ellos. El resultado fue que es posible tener un neutrino estéril alrededor de 1 eV$^2$más pesado que el más ligero de los 3 neutrinos del Modelo Estándar.

A continuación, revisaré cada uno de esos resultados experimentales anómalos (cuando digo anómalos, me refiero a compararlos con 3 sabores). Este es básicamente un resumen pedestre de la revisión del Grupo de datos de partículas, sección 14.13, donde explico cómo funcionan esos experimentos en términos simples. Debe recordarse que en física de partículas, el estándar para el descubrimiento es al menos 5$\sigma$, es decir, una posibilidad entre 1,7 millones de que el efecto sea una casualidad, y todas las sugerencias a continuación se quedan cortas, estando en o por debajo de los 3$\sigma$nivel, es decir, una probabilidad en 370 de que sea una casualidad.

Primero tenemos los experimentos LSND y MiniBooNE. Siguen el mismo principio: un haz de protones se vierte en un objetivo, produciendo muones y anti-muones cuyas desintegraciones producen$\nu_\mu$y$\bar{\nu}_\mu$. Luego se coloca un detector en ese haz de neutrinos a una distancia del orden de 100 metros de la fuente. ambos buscaron$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$y$\nu_\mu\to\nu_e$desapariciones LSND fue el primer experimento en encontrar un ligero exceso de$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$. Luego se configuró MiniBooNE para una parte para investigar eso. La conclusión es que también vieron excesos: en$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$desapariciones en 2.8$\sigma$, y en$\nu_\mu\to\nu_e$desapariciones en 3.4$\sigma$. El primero podría ser compatible con LSND pero el segundo no lo es, en su mayoría provenientes de neutrinos de baja energía (menos de 475 MeV). La mayoría de los estudios concluyen que sólo el exceso en$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$debería ser considerado.

Luego tenemos los experimentos de reactores nucleares de referencia corta: se realizaron en los años 80 y 90 en Grenoble (en ILL), Goesgen, Rovno, Krasnoyarsk, Bugey (los llamados 3 y 4) y Savannah Rivershow. Ellos usan el$\nu_e$producido por el reactor y un detector colocado a unas pocas decenas de metros de él (de ahí el apodo de línea de base corta). El problema es que los experimentos de precisión requieren un conocimiento preciso de los flujos del reactor de$\nu_e$. Se realizó una reevaluación de los mismos en 2011 y la posterior reevaluación de los datos mostró una desaparición anómala de$\nu_e$. Pero no todo el mundo está convencido de que la incertidumbre sobre los flujos esté bajo control.

Finalmente, GALLEX y SAGE. Esos son experimentos con neutrinos solares usando grandes cubas llenas de galio: un$\nu_e$del Sol puede inducir una reacción de desintegración beta inversa en la que un núcleo de galio se transforma en uno de germanio (un isótopo inestable del mismo). Luego, la cantidad de germanio se extrae químicamente y se cuenta gracias a la descomposición de los núcleos de germanio. Para calibrarlos, algunas fuentes intensas de${}^{51}\text{Cr}$y${}^{37}\text{Ar}$se usaron para calibrarlos (esos son radiactivos por captura de electrones:$p+e^-\to n+\nu_e$donde el electrón es del nivel de energía más bajo del átomo). Esos datos de calibración mostraron un déficit de la$\nu_e$flujo, al nivel de aproximadamente 3$\sigma$, lo que por lo tanto puede interpretarse como una desaparición no explicada de$\nu_e$. Dado que esas fuentes artificiales se conocen muy bien, esto parece difícil de explicar.