29/Ene/06

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Los detectores de neutrinos aportan pistas sobre otras dimensiones

(Northeastern University) - Investigadores de la Northeastern University y la Universidad de California en Irvine dicen que los científicos pronto podrán tener evidencias de dimensiones adicionales y otras predicciones exóticas de la teoría de cuerdas.

El equipo de investigación dice que los primeros resultados de un detector de neutrinos en el polo sur, llamado AMANDA, demuestran que las fantasmales partículas del espacio podrían servir como sondas hacia un mundo más allá de nuestras tres dimensiones familiares.

Hasta ahora no se han detectado más que una docena de neutrinos de gran energía. Pero el ritmo de detección y la gama de energía del presente indican que IceCube, un futuro sucesor de AMANDA, más grande y que está en construcción en este momento, podría proporcionar la primera evidencia de la teoría de cuerdas y otras teorías que se procura desarrollar en base a la comprensión del universo que tenemos actualmente.

Un artículo que describe este trabajo aparece en el ejemplar actual de Physical Review Letters. Los autores son Luis Anchordoqui, investigador científico asociado en el departamento de física de Northeastern University; Haim Goldberg, profesor del departamento de física de la Northeastern University; y Jonathan Feng, profesor asociado del departamento de física y astronomía en la universidad de California en Irvine. La evidencia, dicen, provendría de cómo los neutrinos interactúan con otras formas de materia en la Tierra.

"Para encontrar pruebas que apoyen la teoría de cuerdas y otras teorías nuevas, debemos estudiar cómo interactúa la materia a energías extremas", dice Anchordoqui. "Los aceleradores de partículas hechos por humanos en la Tierra todavía no pueden generar estas energías, pero la naturaleza puede, en forma de neutrinos de alta energía".

En las últimas décadas se han desarrollado nuevas teorías —por ejemplo la teoría de cuerdas, de dimensiones adicionales y supersimetría— para tender un puente en el hueco que separa las dos teorías más acertadas del siglo veinte, la de la Relatividad General y la Mecánica Cuántica. La Mecánica Cuántica describe tres de las fuerzas fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo, la fuerza fuerte (que ata los núcleos atómicos) y las fuerza débil (que se observa en la radiactividad). Es, sin embargo, incompatible con la relatividad general de Einstein, la descripción principal de la cuarta fuerza, la gravedad. Los científicos esperan encontrar una teoría unificada que proporcione una descripción cuántica de las cuatro fuerzas.

Las pistas sobre la unificación, dicen los científicos, aparecen a energías extremas. En la Tierra, los aceleradores de partículas hechos por nuestra tecnología ya han producido energías en las que las fuerzas electromágneticas y la fuerza débil son indistinguibles. Los científicos tienen la idea de que la próxima generación de aceleradores revelará que a energías aún más altas la fuerza fuerte es indistinguible de la débil y la electromágnetica. Pero para sondear más profundamente y ver la conexión de la gravedad con las otras tres fuerzas, se necesitan energías todavía más grandes.

Anchordoqui y sus colegas dicen que las fuentes extragalácticas pueden servir como el acelerador cósmico final, y que los neutrinos de estas fuentes impactando sobre los protones pueden liberar energías dentro del rango en el que se podrían revelar las primeras pruebas de la teoría de cuerdas.

Los neutrinos son partículas elementales similares a los electrones, pero tienen mucho menos masa, su carga eléctrica es neutra, y apenas interactúan con la materia. Están entre las partículas más abundantes del universo; mil millones de neutrinos pasan a través de nuestros cuerpos cada segundo sin ser percibidos. La mayoría de los neutrinos que alcanzan la Tierra son partículas de baja energía provenientes del Sol.

AMANDA, un detector financiado por la National Science Foundation, procura detectar, de entre los neutrinos que llueven sobre la Tierra, los que la traspasan totalmente y llegan desde abajo, pero también los que vienen de arriba, desde el firmamento. Los neutrinos interactúan con tanta debilidad con la materia que pueden pasar a través de toda la Tierra sin sufrir impacto.

Aún es incierto cuánta es la cantidad de de neutrinos de "abajo" y de "arriba"; sin embargo, dejando de lado algunos efectos exóticos, los ritmos relativos de detección son bien conocidos.

Los detectores de AMANDA están ubicados en la profundidad del hielo antártico. El IceCube, financiado por la NSF, tiene un diseño similar, sólo que posee cerca de seis veces más detectores que cubren de un volumen de un kilómetro cúbico. Un neutrino que impacta sobre los átomos del hielo emite una breve luz azul delatadora. Usando los detectores, los científicos pueden determinar la dirección de donde vino el neutrino y su energía.

La clave del trabajo presentado aquí es que los científicos están comparando las detecciones de "abajo" y de "arriba" y buscando discrepancias en el ritmo de detección, que es la evidencia de un efecto exótico predicho por las nuevas teorías.

"La teoría de cuerdas, y otras candidatas, pueden modificar la relación de cantidad entre los de neutrinos de 'abajo' y 'arriba'", dijo Jonathan Feng. "Por ejemplo, las dimensiones adicionales pueden hacer que los neutrinos creen agujeros negros microscópicos, que se evaporan y crean de inmediato espectaculares baños de partículas en la atmósfera de la Tierra y en la corteza de hielo antártico. Esto aumenta la catidad de neutrinos de 'abajo' que se detectan. Al mismo tiempo, la creación de agujeros negros hace que los neutrinos de 'arriba' sean atrapados en la corteza de la Tierra, reduciendo la cantidad de neutrinos que llegan de 'arriba'. La relación entre los ritmos de 'arriba' y 'abajo' proporciona evidencia de las distorsiones en las características del neutrino que predicen las nuevas teorías".

"Los neutrinos que son acelerados en el cosmos hasta energías inalcanzables en la Tierra pueden detectar la 'marca distintiva' [o huella] de la nueva física", dijo Goldberg. "El 'cuerpo' responsable de esta huella puede emerger, entonces, de los experimentos complementarios que se hagan en la nueva generación de colisionadores hechos por los humano. En todos los frentes, es una era emocionante en la física de gran energía".

Aportado por Eduardo J. Carletti