Récord: un nuevo límite superior para la masa de neutrinos

Un neutrino es una partícula elemental. Como su nombre muy bien indica, una partícula eléctricamente neutra. De los cuales el físico austriaco y Premio Nobel Wolfgang Pauli (1900-1958) fue el primero en imaginar la existencia ya en 1930. Nada menos que 26 años antes de que finalmente llegara una confirmación experimental. Tomó 26 años hacerlo porque el neutrino solo interactúa muy débilmente con la materia. Tanto es así que a veces se le llama «partícula fantasma». Y así es como cientos de billones de estas partículas pasan a nuestro lado cada segundo sin que nos demos cuenta. Incluso son capaces de atravesar toda la Tierra sin ser detenidos.

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Entonces, ¿por qué los físicos están tan interesados ​​en esto? Porque esperan que, al identificar mejor las características de los neutrinos, también puedan comprender mejor cómo se forman las grandes estructuras de nuestro universo y mejorar las técnicas para controlar la no proliferación nuclear, por ejemplo. Los neutrinos en realidad son generados por reacciones nucleares. Así es como nuestro Sol emite grandes cantidades de ella.

¿Cómo medir la masa de neutrinos?

Cuando los físicos descubrieron, alrededor de la década de 1960, que en realidad hay tres tipos de neutrinos, tres sabores: el neutrino electrónico, el neutrino muón y el neutrino tau, como dicen, y que los neutrinos pueden oscilar de uno de estos sabores a otro, empezaron a pensar que estas partículas elementales debían tener una masa distinta de cero. Aunque el modelo estándar de la física de partículas no tiene masa.

Desde entonces, los experimentos se han multiplicado para determinar cuál podría ser la masa de los neutrinos que los investigadores habían pensado durante mucho tiempo que estaba en el reino de lo inalcanzable. Hoy, inmensas experiencias nos permiten tener esperanza. Experimentos como el de Japón con un acelerador de partículas y un detector subterráneo 300 kilómetros río abajo, todo en miles de toneladas de agua ultrapura. O como el experimento Katrin -para Karlsruhe Tritium Neutrino- que lleva varios años recorriendo Alemania. En el centro de este experimento, un espectrómetro de 70 metros de largo y 10 metros de alto para un total de 200 toneladas. «La escala más grande del mundo», les gusta decir a algunos. Pero también, la fuente de tritio más intensa jamás implementada.

© Leonard Köllenberger, Colaboración Katrin

Un diagrama del experimento de Katrin.

Porque la ambición de Katrin es medir la energía de los electrones liberados por la desintegración beta de los átomos de tritio, un isótopo inestable del hidrógeno. Para acceder más particularmente a la masa del neutrino electrónico. Los físicos, de hecho, están convencidos de que pueden deducir de la energía de los electrones la de los neutrinos. Dado que las partículas, aquí el electrón producido por la desintegración del tritio, y las antipartículas, aquí el neutrino electrónico, también producido por la desintegración del tritio, se considera que tienen una masa y una energía uniformemente distribuidas.

La idea no es nueva. Se ha utilizado durante décadas. Pero solo hoy los científicos tienen tecnologías lo suficientemente poderosas para medir la masa de neutrinos de esta manera.

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Mediciones de masa cada vez más precisas

En 2019, el equipo internacional responsable de la operación y exploración de Katrin ya había establecido un límite superior para esta masa de 1,1 eV/c.^dos. ¿Unidad divertida? No tanto si recordamos la más famosa de las ecuaciones de la física: E = mc^dos. En otras palabras, la masa (m) es equivalente a la energía (E) dividida por la velocidad de la luz en el vacío (c) al cuadrado. Por lo tanto, una masa se puede expresar muy bien en electronvoltios, la unidad de energía que les gusta usar a los físicos de partículas porque se define como lo que gana un electrón cuando cruza un potencial de un voltio, a la velocidad de la luz al cuadrado.

Para refinar su primer resultado, el equipo se basó en una mayor cantidad de desintegraciones de tritio y métodos para limitar otros tipos de desintegración radiactiva. Una forma de evitar las distorsiones observadas hasta ahora. El trabajo cuidadoso y laborioso sobre los datos experimentales y el poder del análisis estadístico realizado por la supercomputadora finalmente permitió a los físicos proponer un nuevo límite superior para la masa del neutrino electrónico: 0,8 eV/c^dos – para tener una mejor idea, sepa que estamos hablando de un 1.6 x 10^-36 kilogramos Ingreso al rango de masa sub-1 eV/c por primera vez^dos. Acercándonos finalmente al orden de magnitud sugerido por las teorías.

El equipo responsable del experimento de Katrin especifica que las mediciones de la masa del neutrino electrónico continuará hasta 2024. Los físicos esperan alcanzar una sensibilidad cuatro veces mayor que la actual. Y ya están trabajando, en paralelo, en el desarrollo de nuevas experiencias que puedan llevar aún más lejos esta sensibilidad. Con el objetivo declarado de una mejor comprensión ¿Cómo funciona el mundo de las partículas elementales?

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