Un experimento realizado hace casi dos décadas finalmente reveló sus mediciones de la masa de la partícula de materia más abundante del universo: el neutrino.

El neutrino podría ser la partícula subatómica más extraña; aunque abundante, requiere algunos de los detectores más sensibles para observar. Los científicos han estado trabajando durante décadas para determinar si los neutrinos tienen masa y, de ser así, cuál es esa masa. El experimento Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) en Alemania ha revelado su primer resultado que limita el límite máximo de esa masa. El trabajo tiene implicaciones para nuestra comprensión de todo el cosmos, ya que estas partículas se formaron poco después del Big Bang y ayudaron a dar forma a la estructura que se formó en el universo primitivo.

“No tienes muchas oportunidades de medir un parámetro cosmológico que dio forma a la evolución del universo en el laboratorio”, dijo a Gizmodo Diana Parno, profesora asistente de investigación en la Universidad Carnegie Mellon que trabaja en el experimento.

Los neutrinos vienen en tres sabores: electrones, muones y tau, en función de cómo interactúan con las partículas correspondientes de electrones, muones y tau. En 1957, el físico Bruno Pontecorvo predijo que los neutrinos oscilarían entre estas tres partículas diferentes, pero esta oscilación requeriría que la partícula tuviera masa. Desde entonces, los experimentos han demostrado que existe oscilación, un hallazgo que le valió a Arthur B. McDonald y Takaaki Kajita el Premio Nobel 2015.

Pero determinar su masa es complicado por varias razones: lo más importante es que los neutrinos solo interactúan con la materia a través de la fuerza nuclear débil, una fuerza fundamental complicada para que accedan los experimentos creados por humanos. Luego, está la rareza de la mecánica cuántica; cada partícula de neutrino se compone de una combinación probabilística de tres “estados de masa”. Debido a la rareza de la mecánica cuántica, puede medir el estado de masa o la partícula de un neutrino, pero no ambos.

La detección de una partícula que no interactúa con sensores típicos requiere que los científicos sean creativos. El experimento KATRIN comienza con 25 gramos de un tipo de gas de hidrógeno radiactivo, llamado tritio, almacenado en un contenedor a temperaturas criogénicas, lo suficientemente frío como para que incluso el gas de neón sea un líquido. Estos átomos experimentan una especie de desintegración radiactiva llamada desintegración beta, donde uno de sus neutrones se convierte en un protón, escupiendo un electrón y un antineutrino electrónico en el proceso (que tendría la misma masa que el neutrino electrónico). Estos productos de descomposición entran en un detector del tamaño de una casa llamado espectrómetro que mide la energía de los electrones. El electrón y el neutrino se llevan cada parte de la energía de la reacción, pero la cantidad que quitan puede variar. Los científicos deben observar el espectro de todas las diferentes energías de los electrones, enfocándose particularmente en los electrones que les han quitado la energía máxima, cuyos neutrinos a su vez se habrían llevado la energía mínima. El análisis de la forma de los gráficos resultantes revela la energía máxima de cualquiera de los estados de masa de neutrinos.

El mero hecho de que exista oscilación establece una masa promedio más baja posible de los tres estados de masa, menos de 0.1 electrón voltios (eV). Después de un mes de operación y 18 años de planificación y construcción, KATRIN ahora ha predicho un límite superior de cualquiera de los tres estados de masa a 1.1 eV, donde un electrón pesa alrededor de 500,000 eV y un protón pesa casi mil millones.

Los científicos de KATRIN anunciaron los resultados en la conferencia Topics in Astroparticle and Underground Physics de 2019 en Toyama, Japón, el viernes pasado.

La colaboración de KATRIN comenzó en 2001, pero “ha pasado mucho tiempo porque es un experimento realmente complicado”, dijo a Gizmodo Hamish Robertson, científico de KATRIN y profesor emérito de física en la Universidad de Washington.

La presión y la temperatura de la fuente de gas requieren un control preciso, y hay muchas partes móviles. Tomó años diseñar y construir el enorme espectrómetro que rechaza los electrones no deseados y mide con precisión las energías de los electrones resultantes.

“Es fractal en algún nivel”, dijo Parno. “Si te acercas a cualquier parte del experimento y comienzas a hacerte preguntas, vuelves a tener el mismo nivel de complejidad”.

KATRIN es solo una de varias estrategias diferentes para calcular la masa del neutrino. El mes pasado, los investigadores utilizaron datos cosmológicos para argumentar que la suma de las tres masas de neutrinos era como máximo de 0,26 voltios de electrones. Otros experimentos esperan calcular la masa de neutrinos usando desintegraciones atómicas raras. Pero los hallazgos de KATRIN son valiosos porque no se basan en grandes teorías sobre cómo funciona el universo, señaló el profesor asociado de física de la Universidad de Duke Phillip Barbeau, que no participó en el estudio.

Este límite más reciente en la masa reduce a la mitad la masa máxima determinada en otras configuraciones experimentales y proviene de solo un mes de datos. Queda mucho más por recorrer, incluida la toma de datos durante cinco años que limitará aún más a las masas. En última instancia, los científicos quieren saber más que la masa máxima de los estados; Quieren saber la masa absoluta de los tres estados y cómo se comparan entre sí. Resolver este problema tiene implicaciones para comprender el comportamiento del universo primitivo, si el neutrino es su propia antipartícula y por qué hay más materia que antimateria en el universo. Muchos físicos están interesados ​​en el resultado.

“Es un parámetro fundamental”, le dijo a Gizmodo Kate Scholberg, profesora de física de la Universidad de Duke que no participó en el estudio. “Si estás tratando de desarrollar modelos generales de física fundamental, grandes teorías unificadas y ese tipo de cosas, entonces deseas toda la información que puedas, como las masas de todas las partículas”.

Fuente: es.gizmodo.com