L'IFIC obri una nova finestra a la física fonamental a través dels neutrins

Els muons són partícules subatòmiques més pesades que els electrons. Amb el temps, un muó es “trenca” (es desintegra) donant lloc a altres partícules, entre elles neutrins i antineutrins. Els neutrins i la seua antipartícula, els antineutrins, són partícules subatòmiques fonamentals amb una massa extremadament xicoteta, pròxima a zero i mancats de càrrega elèctrica, la qual cosa els fa invisibles als camps electromagnètics.

Quan un neutrí xoca amb el nucli d'un àtom, pot fer que eixe nucli es moga. Eixe "colpet" és el que es diu CEvNS (Coherent Elastic Neutrí-Nucleus Scattering).

En els anys 70, Daniel Z. Freedman va observar que este procés, la dispersió elàstica coherent neutrí–nucli (CEvNS, per les seues sigles en anglés) tenia segons el model estàndard de la física de partícules, una probabilitat d'ocórrer major de l'habitual.

No obstant això, en els anys 70 el fenomen era impossible d'observar, ja que el seu únic senyal és el lleu retrocés del nucli després del “xoc” amb el neutrí o antineutrí incident. Gràcies als avanços experimentals, la col·laboració COHERENT va aconseguir mesurar per primera vegada este procés en 2017 utilitzant neutrins produïts en l'Oak Ridge National Laboratory (els EUA). Des de llavors, COHERENT ha observat el fenomen amb diferents detectors i millorat la precisió inicial.

“El nostre enfocament també pot aplicar-se a les mesures recents de CEvNS amb neutrins de reactors i solars per a estudiar els seus respectius processos de producció, encara que això requerirà una anàlisi específica a causa de les particularitats de cada cas”

Ara, un nou treball publicat en la revista Physical Review Letters, liderat per un equip de l'Institut de Física Corpuscular (IFIC), situat en l'àrea científic-acadèmica del Parc Científic de la Universitat de València (PCUV), demostra per primera vegada que les dades de COHERENT també permeten analitzar aspectes importants associats a la producció de neutrins, incloent-hi possibles noves interaccions. En particular, l'equip mostra que és possible estudiar la desintegració del muó observant com els neutrins i antineutrins emesos es dispersen sobre nuclis atòmics mitjançant este procés de “colpejar” anomenat CEvNS. Amb les dades de l'experiment COHERENT, s'han extret per primera vegada els paràmetres de Michel, que descriuen la distribució energètica de l'antineutrí. Estos paràmetres es van introduir fa 75 anys per als electrons i fa 30 anys per als neutrins, i ara s'estenen per primera vegada als antineutrins.

El treball ha sigut realitzat per un equip de l'IFIC compost per Sergio Cruz-Alzaga, Martín González-Alonso i Suraj Prakash, en col·laboració amb Víctor Bresó-Pla, investigador postdoctoral en la Universitat d'Harvard, que va obtindre el seu doctorat en l'IFIC en 2023 i va desenrotllar part d'esta investigació mentres pertanyia a la Universitat de Heidelberg. “En la primera publicació ens hem enfocat en la desintegració del muó, suposant a més la conservació del sabor leptònic, amb l'objectiu de presentar la idea i mostrar la seua utilitat” assenyalen els autors. A més, en un segon treball publicat en la revista Journal of High Energy Physics (JHEP), l'equip amplia l'estudi mitjançant una anàlisi exhaustiva de totes les possibles interaccions.

“El nostre enfocament també pot aplicar-se a les mesures recents de CEvNS amb neutrins de reactors i solars per a estudiar els seus respectius processos de producció, encara que això requerirà una anàlisi específica a causa de les particularitats de cada cas”, assenyalen els autors. 

En conjunt, estos treballs mostren una connexió interessant entre la física de neutrins i la física del sabor, ampliant l'aplicació de les mesures de CEvNS com una nova ferramenta per a la física fonamental. A més, les mesures de CEvNS obrin la porta a aplicacions pràctiques com el monitoratge remot de reactors nuclears i el desenrotllament de detectors de neutrins compactes.