Los científicos han limitado la masa de neutrinos a menos de 1 eV por primera vez, rompiendo una barrera importante en la física de neutrinos.

Físicos del Experimento internacional de neutrinos de tritio de Karlsruhe (KATRIN) acaban de medir la masa de un neutrino con una precisión sin precedentes.

De todas las partículas subatómicas conocidas con masas distintas de cero, los neutrinos son las más ligeras, con una masa diez millones de veces menor que la de un electrón. Los neutrinos son abundantes en el universo y, a pesar de su pequeño tamaño, juegan un papel importante en la evolución de estructuras a gran escala en él, como p. B. formación de galaxias.

Una medición directa en laboratorio de la masa del neutrino tendría implicaciones de gran alcance tanto en la física de partículas elementales como en la cosmología.

El papel de los neutrinos en la física

En el modelo estándar de física de partículas, los neutrinos se consideran sin masa, pero esta masa distinta de cero desafía nuestra comprensión actual y apunta a un concepto llamado «nueva física»: física más allá del modelo estándar que podría ayudar a aclarar algunas de sus discrepancias.

Todas las partículas elementales masivas que conocemos, desde electrones con una masa de medio megaelectronvoltio (MeV) hasta quarks T de 170 GeV, obtienen su masa a través de interacciones con el bosón de Higgs. La masa de un neutrino es al menos seis órdenes de magnitud más pequeña que la masa de cualquier otra partícula que hayamos detectado, y una brecha tan grande sugiere que podría estar en juego un mecanismo de generación de masa diferente. Por lo tanto, una medición más precisa de la masa del neutrino podría ayudar a aclarar el origen de las masas de las partículas.

Limitación de la masa de un neutrino

Los neutrinos son difíciles de estudiar porque sus interacciones con otras partículas son muy débiles: un solo neutrino que viaja casi a la velocidad de la luz necesita una capa de agua de cien años luz de espesor para dispersarse (y, por lo tanto, detectarse). Por lo tanto, su masa generalmente se mide indirectamente al examinar la distribución de velocidades de otras partículas involucradas en procesos específicos de interacción o descomposición.

Precisamente de esta manera, los físicos de la colaboración KATRIN han impuesto nuevas restricciones a la masa de neutrinos. Estudiaron la desintegración beta de un isótopo inestable de hidrógeno llamado tritio, que tiene una vida media corta de 12,3 años y libera un electrón y un neutrino entre sus productos de desintegración.

Utilizando un espectrómetro de alta precisión, los científicos midieron las velocidades de casi cuatro millones de electrones ya partir de esta distribución, cuya forma exacta codifica la masa del neutrino, determinaron el límite superior de su valor, que parecía ser inferior a 0,9 eV.

Esta es la primera vez en la historia que se logra una sensibilidad sub-eV en experimentos de este tipo. El límite superior anterior para esta masa era de 1,1 eV, establecido en 2019 por la misma colaboración de KATRIN. En esta segunda corrida, cuyos resultados se presentan en un artículo publicado recientemente física naturalel equipo logró aumentar significativamente la sensibilidad del experimento.

Lo hicieron mejorando primero las condiciones de vacío en el espectrómetro, lo que resultó en una reducción del 25 % en el ruido de fondo, y aumentando la actividad de la fuente de tritio (o la velocidad a la que se producen las partículas) en un factor de 3,8. Al combinar estos resultados, los científicos de KATRIN pudieron reducir el límite superior de la masa del neutrino a 0,8 eV.

El experimento, aunque emocionante, aún no ha terminado. El equipo espera aumentar las estadísticas generales de eventos de señales en un factor de 50 durante los próximos 1000 días. Una optimización planificada del diseño del campo electromagnético del espectrómetro reducirá aún más el fondo en un factor de dos.

Estas y otras mejoras en el aparato experimental, junto con sondas cosmológicas de la masa del neutrino, deberían permitir a los investigadores alcanzar una sensibilidad de alrededor de 0,2 eV y explorar la física más allá del modelo estándar.

Referencia: The KATRIN Collaboration, Medición directa de masa de neutrinos con sensibilidad de subelectronvoltios, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1

Imagen destacada: Markus Breig, KIT

DEJA UNA RESPUESTA

Por favor ingrese su comentario!
Por favor ingrese su nombre aquí