Los científicos a menudo se refieren al neutrino como la «partícula fantasma».»Los neutrinos fueron una de las partículas más abundantes en el origen del universo y lo siguen siendo hoy en día. Las reacciones de fusión en el sol producen vastos ejércitos de ellas, que se derraman sobre la Tierra todos los días. Trillones pasan a través de nuestros cuerpos cada segundo, luego vuelan a través de la Tierra como si no estuviera allí.

«Aunque se postuló por primera vez hace casi un siglo y se detectó por primera vez hace 65 años, los neutrinos siguen envueltos en misterio debido a su renuencia a interactuar con la materia», dijo Alessandro Lovato, físico nuclear del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE).

Lovato es miembro de un equipo de investigación de cuatro laboratorios nacionales que ha construido un modelo para abordar uno de los muchos misterios sobre los neutrinos: cómo interactúan con los núcleos atómicos, sistemas complicados hechos de protones y neutrones («nucleones») unidos por la fuerza fuerte. Este conocimiento es esencial para desentrañar un misterio aún mayor: por qué durante su viaje a través del espacio o la materia, los neutrinos se transforman mágicamente de uno a otro de tres tipos o «sabores» posibles.»

Para estudiar estas oscilaciones, se han llevado a cabo dos conjuntos de experimentos en el Laboratorio Acelerador Nacional Fermi de DOE (MiniBooNE y NOvA). En estos experimentos, los científicos generan un flujo intenso de neutrinos en un acelerador de partículas, luego los envían a detectores de partículas durante un largo período de tiempo (minibono) o quinientas millas de la fuente (NOvA).

Conociendo la distribución original de los sabores de neutrinos, los experimentadores recopilan datos relacionados con las interacciones de los neutrinos con los núcleos atómicos en los detectores. A partir de esa información, pueden calcular cualquier cambio en los sabores de neutrinos a lo largo del tiempo o la distancia. En el caso de los detectores MiniBooNE y NOvA, los núcleos provienen del isótopo carbono-12, que tiene seis protones y seis neutrones.

«Nuestro equipo entró en escena porque estos experimentos requieren un modelo muy preciso de las interacciones de los neutrinos con los núcleos del detector en un amplio rango de energía», dijo Noemi Rocco, postdoctorada en la división de Física de Argonne y Fermilab. Dada la elusividad de los neutrinos, lograr una descripción completa de estas reacciones es un desafío formidable.

El modelo de física nuclear del equipo de interacciones de neutrinos con un solo nucleón y un par de ellos es el más preciso hasta el momento. «El nuestro es el primer enfoque para modelar estas interacciones a un nivel tan microscópico», dijo Rocco. «Los enfoques anteriores no eran tan finos.»

Uno de los hallazgos importantes del equipo, basado en cálculos realizados en el ahora retirado supercomputador Mira en el Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), fue que la interacción del par de núcleos es crucial para modelar las interacciones de neutrinos con núcleos con precisión. El ALCF es una Instalación de Usuarios de la Oficina de Ciencia de DOE.

«Cuanto más grandes sean los núcleos en el detector, mayor será la probabilidad de que los neutrinos interactúen con ellos», dijo Lovato. «En el futuro, planeamos ampliar nuestro modelo a datos de núcleos más grandes, a saber, los de oxígeno y argón, en apoyo de los experimentos planificados en Japón y EE.UU. «

Rocco agregó que » Para esos cálculos, dependeremos de computadoras ALCF aún más potentes, el sistema Theta existente y la próxima máquina de exaescala, Aurora.

Los científicos esperan que, con el tiempo, surja una imagen completa de las oscilaciones de sabor de los neutrinos y sus antipartículas, llamados «antineutrinos».»Ese conocimiento puede arrojar luz sobre por qué el universo está construido a partir de materia en lugar de antimateria, una de las preguntas fundamentales sobre el universo.

El artículo, titulado «Ab Initio Study of (νℓ,+−) and (ν+,++) Inclusive Scattering in C12: Confronting the MiniBooNE and T2K CCQE Data», se publica en Physical Review X. Además de Rocco y Lovato, los autores incluyen a J. Carlson (Los Alamos National Laboratory), S. Gandolfi (Los Alamos National Laboratory) y R. Schiavilla (Old Dominion University/Jefferson Lab).