Una teoría de física de partículas de 60 años, fue probada bajo el Polo Sur

El 6 de diciembre de 2016, un antineutrino electrónico se precipitó a la Tierra desde el espacio exterior a una velocidad cercana a la de la luz transportando 6,3 petaelectronvoltios (PeV) de energía. En lo profundo de la capa de hielo en el Polo Sur, se estrelló contra un electrón y produjo una partícula que rápidamente se descompuso en una lluvia de partículas secundarias. La interacción fue capturada por un telescopio masivo enterrado en el glaciar antártico, el Observatorio de Neutrinos IceCube.

IceCube había visto un evento de resonancia de Glashow, un fenómeno predicho por el físico premio Nobel Sheldon Glashow en 1960. Con esta detección, los científicos proporcionaron otra confirmación del Modelo Estándar de física de partículas. También demostró aún más la capacidad de IceCube, que detecta partículas casi sin masa llamadas neutrinos utilizando miles de sensores incrustados en el hielo antártico, para realizar física fundamental. El resultado fue publicado el 10 de marzo en Nature.

Sheldon Glashow propuso por primera vez esta resonancia en 1960 cuando era investigador posdoctoral en lo que hoy es el Instituto Niels Bohr en Copenhague, Dinamarca. Allí, escribió un artículo en el que predijo que un antineutrino (el gemelo de antimateria de un neutrino) podría interactuar con un electrón para producir una partícula aún no descubierta, si el antineutrino tuviera la energía adecuada, a través de un proceso conocido como resonancia.

Cuando la partícula propuesta, el bosón W, fue finalmente descubierta en 1983, resultó ser mucho más pesada de lo que Glashow y sus colegas esperaban en 1960. La resonancia de Glashow requeriría un neutrino con una energía de 6,3 PeV, casi 1.000 veces más enérgico de lo que es capaz de producir el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. De hecho, ningún acelerador de partículas hecho por humanos en la Tierra, actual o planeado, podría crear un neutrino con tanta energía.

Pero, ¿qué pasa con un acelerador natural en el espacio? Las enormes energías de los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias y otros eventos cósmicos extremos pueden generar partículas con energías imposibles de crear en la Tierra. Tal fenómeno probablemente fue responsable del antineutrino 6.3 PeV que llegó a IceCube en 2016.

“Cuando Glashow era un postdoctorado en Niels Bohr, nunca podría haber imaginado que su propuesta poco convencional para producir el bosón W sería realizada por un antineutrino de una galaxia lejana chocando contra el hielo de la Antártida”, dijo en un comunicado Francis Halzen, profesor de física en el Universidad de Wisconsin-Madison, la sede del mantenimiento y las operaciones de IceCube, e investigador principal de IceCube.

Desde que IceCube comenzó a funcionar plenamente en mayo de 2011, el observatorio ha detectado cientos de neutrinos astrofísicos de alta energía y ha producido una serie de resultados significativos en astrofísica de partículas, incluido el descubrimiento de un flujo de neutrinos astrofísicos en 2013 y la primera identificación de una fuente de neutrinos astrofísicos en 2018. Pero el evento de resonancia de Glashow es especialmente notable debido a su energía notablemente alta; es solo el tercer evento detectado por IceCube con una energía superior a 5 PeV.

“Este resultado prueba la viabilidad de la astronomía de neutrinos y la capacidad de IceCube para hacerlo, que jugará un papel importante en la futura física de astropartículas de múltiples mensajeros”, aclaró Christian Haack, estudiante de posgrado en RWTH Aachen mientras trabajaba en este análisis. “Ahora podemos detectar eventos de neutrinos individuales que son inconfundiblemente de origen extraterrestre”.

El resultado también abre un nuevo capítulo de la astronomía de neutrinos porque comienza a desenredar los neutrinos de los antineutrinos. “Las mediciones anteriores no han sido sensibles a la diferencia entre neutrinos y antineutrinos, por lo que este resultado es la primera medición directa de un componente antineutrino del flujo de neutrinos astrofísicos”, comentó Lu Lu, uno de los principales analizadores de este artículo, quien fue un postdoctorado en la Universidad de Chiba en Japón durante el análisis.