El modelo estándar de física de partículas es una de las hazañas más impresionantes de la ciencia. Es un esfuerzo riguroso y preciso para comprender y describir tres de las cuatro fuerzas fundamentales del Universo: la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. La gravedad está ausente porque hasta ahora, adaptarlo al modelo estándar ha sido extremadamente difícil.
Pero hay algunos agujeros en el Modelo Estándar, y uno de ellos involucra la masa del neutrino.
La existencia del neutrino se propuso por primera vez en 1930, luego se detectó en 1956. Desde entonces, los físicos han aprendido que hay tres tipos de neutrinos, y son abundantes y escurridizos. Solo las instalaciones especiales pueden detectarlos porque rara vez interactúan con otra materia. Hay varias fuentes para ellos, y algunos de ellos han estado atravesando el espacio desde el Big Bang, pero la mayoría de los neutrinos cercanos a la Tierra provienen del Sol.
El modelo estándar predice que los neutrinos no tienen masa, como los fotones. Pero los físicos han descubierto que los tres tipos de neutrinos pueden transformarse entre sí a medida que se mueven. Según los físicos, solo deberían poder hacerlo si tienen masa.
¿Pero cuánta masa? Esa es una pregunta que ha estado persiguiendo a los físicos de partículas. Y responder esa pregunta es parte de lo que impulsa a los científicos de KATRIN (Experimento de trutrio de neutrinos de Karlsruhe).
"Estos hallazgos de la colaboración de KATRIN reducen el rango de masa anterior para el neutrino en un factor de dos ..."
HAMISH ROBERTSON, CIENTÍFICO KATRIN Y PROFESOR EMERITO DE FÍSICA EN LA UNIVERSIDAD DE WASHINGTON.
Un equipo de investigadores llegó a una parte de una respuesta a eso: la masa del neutrino no puede ser mayor a 1.1 electronvoltios (eV). Esto es una reducción del límite superior de la masa de un neutrino en casi 1 eV; desde 2 eV hasta 1,1 eV. Al construir sobre experimentos previos que establecen el límite de masa inferior a 0.02 eV, estos investigadores han establecido un nuevo rango para la masa del neutrino. Muestra que un neutrino tiene menos de 1 / 500,000 de la masa de un electrón. Este es un paso importante en el avance del Modelo Estándar.
"Conocer la masa del neutrino permitirá a los científicos responder preguntas fundamentales en cosmología, astrofísica y física de partículas ..."
Hamish Robertson, científico de KATRIN y profesor emérito de física en la Universidad de Washington.
Los investigadores detrás de este trabajo provienen de 20 instituciones de investigación diferentes en todo el mundo. Están trabajando con KATRIN en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania. La instalación de KATRIN cuenta con un espectrómetro de alta resolución de 10 metros que le permite medir las energías de los electrones con gran precisión.
El equipo de KATRIN presentó sus resultados en la conferencia Temas de Astropartículas y Física Subterránea de 2019 en Toyama, Japón, el 13 de septiembre.
"Conocer la masa del neutrino permitirá a los científicos responder preguntas fundamentales en cosmología, astrofísica y física de partículas, como cómo evolucionó el universo o qué física existe más allá del Modelo Estándar", dijo Hamish Robertson, científico de KATRIN y profesor emérito de física. en la universidad de Washington. "Estos hallazgos de la colaboración de KATRIN reducen el rango de masa anterior para el neutrino en un factor de dos, establecen criterios más estrictos sobre cuál es realmente la masa del neutrino y proporcionan un camino hacia adelante para medir su valor definitivamente".
Los neutrinos son notoriamente difíciles de detectar, a pesar de que son abundantes. Solo los fotones son más abundantes. Como dice su nombre, son eléctricamente neutros. Esto hace que detectarlos sea extremadamente difícil. Hay observatorios de neutrinos hundidos en las profundidades del hielo antártico, y también en las minas abandonadas. A menudo usan agua pesada para atraer a los neutrinos a interactuar. Cuando un neutrino interactúa, produce radiación de Cherenkov que se puede medir.
"Si llenaras el sistema solar con plomo hasta cincuenta veces más allá de la órbita de Plutón, aproximadamente la mitad de los neutrinos emitidos por el sol aún abandonarían el sistema solar sin interactuar con ese plomo", dijo Robertson.
La historia del neutrino ha evolucionado con el tiempo con experimentos como KATRIN. Originalmente, el Modelo Estándar predijo que los neutrinos no tendrían masa. Pero en 2001, dos detectores diferentes mostraron que su masa no es cero. El Premio Nobel de Física 2015 se otorgó a dos científicos que demostraron que los neutrinos pueden oscilar entre tipos, lo que demuestra que tienen masa.
La instalación de KATRIN mide la masa de neutrinos indirectamente. Funciona monitoreando la descomposición del tritio, que es una forma altamente radiactiva de hidrógeno. A medida que el isótopo de tritio se descompone, emite pares de partículas: un electrón y un antineutrino. Juntos, comparten 18.560 eV de energía.
En la mayoría de los casos, el par de partículas comparte los 18.560 eV por igual. Pero en raras ocasiones, el electrón acapara la mayor parte de la energía, dejando al neutrino con muy poca. Estos casos raros son en lo que se centran los científicos.
Debido a E = mC2, la pequeña cantidad de energía que queda para el neutrino en estos casos raros también debe ser igual a su masa. Debido a que KATRIN tiene el poder de medir el electrón con precisión, también puede determinar la masa del neutrino.
"Resolver la masa del neutrino nos llevaría a un mundo nuevo y valiente de crear un nuevo Modelo Estándar", dijo Peter Doe, profesor investigador de física de la Universidad de Washington que trabaja en KATRIN.
Este nuevo modelo estándar que menciona Doe puede tener el potencial de explicar la materia oscura, que constituye la mayor parte de la materia en el universo. Esfuerzos como KATRIN pueden algún día detectar otro cuarto tipo de neutrino llamado neutrino estéril. Hasta ahora, este cuarto tipo es solo una conjetura, pero es un candidato para la materia oscura.
"Los neutrinos son pequeñas partículas extrañas", dijo Doe. "Son tan omnipresentes y hay mucho que podemos aprender una vez que determinamos este valor".
Mostrar que los neutrinos tienen masa y restringir el rango de esa masa son importantes. Pero los físicos de partículas aún no saben cómo ganan su masa. Probablemente sea diferente de cómo otras partículas obtienen las suyas.
Resultados como este de KATRIN están ayudando a cerrar un vacío en el Modelo Estándar y en nuestra comprensión general del Universo. El Universo está lleno de antiguos neutrinos del Big Bang, y cada avance en la masa del neutrino nos ayuda a comprender cómo se formó y evolucionó el Universo.
Más:
- Comunicado de prensa: KATRIN reduce a la mitad la estimación de masa para el esquivo neutrino
- Instituto de Tecnología de Karlsruhe: KATRIN
- CERN: el modelo estándar
- Revista Symmetry: Cinco misterios que el modelo estándar no puede explicar
- MIT News: 3Q: los científicos reducen a la mitad la estimación de la masa de neutrinos
