El experimento 'DUNE' de 800 millas de largo podría revelar las dimensiones ocultas del universo
Una nueva instalación subterránea llamada DUNE, que acelerará partículas a lo largo de 800 millas entre Illinois y Dakota del Sur, podría revelar las dimensiones ocultas del universo, sugiere una nueva investigación.
Durante más de un siglo, los científicos han estado fascinados por la posibilidad de que dimensiones espaciales minúsculas y ocultas pudieran estar influyendo en la física de nuestro familiar mundo tridimensional. Sin embargo, a pesar de décadas de búsquedas experimentales, todavía no hay pruebas concretas de estas dimensiones adicionales. Ahora, un estudio reciente propone una forma de avanzar en esta búsqueda: utilizar el próximo Experimento de neutrinos subterráneos profundos (DUNE) para sondear estas dimensiones ocultas a través del comportamiento de los neutrinos.
Los neutrinos se encuentran entre las partículas más esquivas del universo, lo que les valió el apodo de "partículas fantasma". Hay tres tipos conocidos (o "sabores") de neutrinos, cada uno con una masa miles de millones de veces más pequeña que la de un electrón. Estas partículas son notables por su capacidad de transformarse (u oscilar) en diferentes sabores mientras viajan por el espacio, incluso sin interactuar con otras partículas.
Estudiando neutrinos con DUNE
DUNE es un próximo experimento de oscilación de neutrinos con sede en Illinois y Dakota del Sur. "En este experimento, los neutrinos son generados por un acelerador de partículas en Fermilab [en Illinois], recorren una distancia de 1.300 kilómetros [800 millas] y se observan utilizando un enorme detector subterráneo en Dakota del Sur", Mehedi Masud, profesor de la Universidad Chung-Ang en Corea del Sur y coautor del estudio, dijo a WordsSideKick.com por correo electrónico.
La configuración experimental es ideal para estudiar las oscilaciones de neutrinos. Los neutrinos creados en las colisiones del Fermilab, principalmente neutrinos muónicos (uno de los tres tipos), atravesarán la Tierra para llegar al detector de Dakota del Sur. En el camino, se espera que algunas de estas partículas se transformen en los otros dos tipos: neutrinos electrónicos y neutrinos tau.
Al observar cómo evolucionan los diferentes sabores durante su viaje, los científicos de DUNE esperan desentrañar varias cuestiones fundamentales en la física de los neutrinos, como la jerarquía de las masas de los neutrinos, los parámetros precisos que rigen la oscilación y el papel que los neutrinos pueden haber desempeñado en la creación de la materia-antimateria. desequilibrio en el universo.
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Sondeando dimensiones adicionales con oscilaciones de neutrinos
El estudio, publicado en el Journal of High Energy Physics en noviembre, propone que el enigmático comportamiento de los neutrinos podría explicarse si, además de las conocidas tres dimensiones del espacio, existen dimensiones espaciales adicionales en la escala de micrómetros (millonésimas de metro). Si bien son pequeñas para los estándares cotidianos, estas dimensiones son notablemente grandes en comparación con las escalas femtométricas (una billonésima parte de un metro) típicas de las partículas subatómicas.
"La teoría de las grandes dimensiones adicionales, propuesta por primera vez por Arkani-Hamed, Dimopoulos y Dvali en 1998, sugiere que nuestro espacio tridimensional familiar está incrustado dentro de un marco de dimensiones superiores" de cuatro o más dimensiones, explicó Masud. "La motivación principal de esta teoría es abordar por qué la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas fundamentales en la naturaleza. Además, la teoría de las grandes dimensiones adicionales ofrece una posible explicación para el origen de las diminutas masas de neutrinos. , un fenómeno que sigue sin explicación dentro del modelo estándar de física de partículas."
Según los autores del estudio, si existen dimensiones adicionales, podrían alterar sutilmente las probabilidades de oscilación de neutrinos de maneras detectables por DUNE. Estas distorsiones podrían aparecer como una ligera supresión de las probabilidades de oscilación esperadas y como pequeños "movimientos" oscilatorios en energías de neutrinos más altas.
Simulando datos de DUNE para buscar dimensiones adicionales
En este estudio, los autores consideraron el caso de una única dimensión adicional. Los efectos de una dimensión extra están determinados principalmente por su tamaño. Esta dependencia crea una oportunidad para que los investigadores investiguen la presencia de tales dimensiones analizando cómo los neutrinos interactúan con la materia dentro del detector. La dimensión adicional influye en las probabilidades de oscilación de los neutrinos, lo que, a su vez, puede revelar pistas valiosas sobre su posible existencia y propiedades.
"Simulamos varios años de datos de neutrinos del experimento DUNE utilizando modelos computacionales", dijo Masud. "Al analizar los efectos de baja y alta energía de grandes dimensiones adicionales sobre las probabilidades de oscilación de neutrinos, evaluamos estadísticamente la capacidad de DUNE para limitar el tamaño potencial de estas dimensiones adicionales, asumiendo que existen en la naturaleza".
El análisis del equipo sugiere que el experimento DUNE será capaz de detectar una dimensión extra si su tamaño ronda la media micra (una millonésima de metro). DUNE se encuentra actualmente en construcción y se espera que comience a recopilar datos alrededor de 2030. Después de varios años de funcionamiento, los datos acumulados probablemente serán suficientes para un análisis exhaustivo de la teoría de las grandes dimensiones adicionales. El equipo espera que los resultados de este análisis estén disponibles dentro de aproximadamente una década.
Además, creen que, en el futuro, la combinación de datos de DUNE con otros métodos experimentales, como experimentos con colisionadores u observaciones astrofísicas y cosmológicas, mejorará la capacidad de investigar las propiedades de dimensiones adicionales con mayor precisión y exactitud.
"En el futuro, la incorporación de aportaciones de otros tipos de datos podría ajustar aún más estos límites superiores, haciendo más plausible el descubrimiento de grandes dimensiones adicionales, en caso de que existan en la naturaleza", dijo Masud. "Más allá de ser una vía apasionante para la nueva física, la presencia potencial de grandes dimensiones adicionales también podría ayudar a DUNE a medir las incógnitas estándar en la física de neutrinos con mayor precisión, libre de la influencia de efectos no contabilizados".