La medición más precisa jamás nos acerca a conocer la verdadera masa de la partícula 'fantasma': ScienceAlert

La masa restante de neutrinos fantasmales es una de las cantidades más buscadas en la física de partículas y los científicos están un paso más cerca de identificar con precisión, gracias a un nuevo experimento dirigido por investigadores del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Alemania.

Si se conociera la masa de los neutrinos, se podría abrir la puerta a la física más allá del ámbito del Modelo Estándar de física de partículas, que describe todas las fuerzas y partículas elementales conocidas en el Universo.

Decir que los neutrinos son extraños es quedarse corto. Una vez se sugirió que no tenía masa alguna, ahora está claro que esta partícula apenas visible es en realidad tres tipos en uno, con identidades que oscilan en una extraña confusión cuántica mientras vuelan por el espacio. Esta identidad parpadeante implica masa, que también viene en diferentes formasse extienden por la apariencia cambiante del neutrino.

Debido a que son tan ligeros y extraños, es posible que los neutrinos no sigan las mismas reglas que otras partículas. Sumar con precisión la partícula de sus masas increíblemente pequeñas podría incluso ayudar a confirmar y descartar nuevos modelos en física de partículas.

Sin embargo, los físicos no pueden simplemente pesar racimos de neutrinos estacionarios como si fueran uvas en una balanza. En vez de, ellos solo pueden confirmar presencia de estas partículas subatómicas, observando sus interacciones con otras partículas, o medir los productos de su decadencia. Una partícula sólo puede ser presente por un breve momento pero durante este período deja su marca o huella a partir de la cual los físicos pueden inferir la masa.

Sin embargo, al no tener carga y prácticamente sin atracción gravitacional, los neutrinos ejercen sólo una fuerza muy débil sobre otras partículas. De hecho, miles de millones de neutrinos están pasando a través de su cuerpo en este momento, la mayoría provenientes del Sol, pero rara vez interactúan con nosotros.

Sin embargo, el hecho de que tengan tan poca influencia sobre otras partículas subatómicas no significa que los neutrinos no sean una parte fundamental de la materia. Ellos son las partículas más abundantes que tienen masa en el Universo, y saber qué les da a estas variaciones de neutrinos masas en reposo tan pequeñas y distintas de cero podría ayudar a los físicos a resolver o comprender algunas de las contradicciones en el Modelo Estándar que los neutrinos presentan en la forma en que oscilan.

Los físicos han perfeccionado constantemente sus mejores estimaciones de los límites superiores de las masas individuales y colectivas de los neutrinos, utilizando diversos métodos. La medición más precisa de un “sabor” llamado neutrino electrónico encontró que no podía tener más de 0,8 electronvoltios. Traduciendo esto a masa relativa por 1 kilogramo (o 2,2 libras), es como el peso de cuatro pasas en comparación con el Sol.

Fijada en febrero de 2022, la estimación más reciente fue realizada por el Experimento Tritio Neutrino de Karlsruhe (katrina) en Alemania, deducido de la pulverización de electrones y neutrinos liberados como una forma superpesada de desintegración del hidrógeno.

Otra forma de determinar la masa de un neutrino, por pequeña que sea, es estudiar qué sucede cuando el núcleo atómico de un isótopo artificial de holmio-163 absorbe un electrón de su capa más interna. Como resultado, un protón se convierte en un neutrón, se produce el elemento disprosio-163 y se libera un neutrino.

Luego, los físicos pueden medir la energía total liberada en esta desintegración utilizando una especie de calorímetro e inferir la masa del neutrino «desaparecido» que voló hacia el éter basándose en la masa total del átomo y en la famosa ecuación de Einstein, E = mc.^dosdonde masa y energía son equivalentes.

Esto se calcula como lo que se llama Valor Q: una diferencia de energía que puede traducirse en la masa «faltante» de la suma total de partículas atómicas después de una reacción de desintegración. Esta diferencia de masa se interpreta como el neutrino.

Sin embargo, los átomos de oro en los que está incorporado el holmio-163 pueden influir en esta reacción de descomposición, explica Christoph Schweiger, físico del Instituto Max Planck de Física Nuclear y autor principal del nuevo estudio.

«Por lo tanto, es importante medir el valor Q con la mayor precisión posible utilizando un método alternativo y compararlo con el valor determinado calorimétricamente para detectar posibles fuentes sistemáticas de error», afirmó. dice.

Para ello, Schweiger y sus colegas pusieron en marcha un experimento que combinó cinco de los llamados trampas de entradaapilados uno encima del otro dentro de un imán superconductor colocado en el vacío y sumergido en helio líquido a aproximadamente 4 grados Kelvin (-269,1°C o -452,5°F).

Todo este esfuerzo ayuda a proteger el equipo para que sea lo suficientemente sensible como para capturar partículas en sus trampas Penning y medir las sutiles diferencias de energía entre los iones cargados de holmio-163 y disprosio-163.

«Con un Airbus A-380 completamente cargado, se podría utilizar esta sensibilidad para determinar si una sola gota de agua cayó sobre él», Schweiger dice.

De hecho, los investigadores midieron los iones de holmio-163 entrantes y los iones de disprosio-163 resultantes para llegar a un valor Q de 2.863,2 ± 0,6 eV c⁻²que es 50 veces más preciso que un esfuerzo anterior que alcanzó un valor de 2.833 ± 34 eV c⁻².

Utilizar un valor Q más preciso y medido de forma independiente junto con otros resultados experimentales «es vital para evaluar las incertidumbres sistemáticas en la determinación de la masa de neutrinos», Schweiger y sus colegas escribe en tu artículo publicado.

Si bien es sólo una pieza del rompecabezas, la precisión mejorada en mediciones como Q se puede combinar con una amplia variedad de enfoques para comprender por qué los extraños y brillantes fantasmas del mundo de las partículas se comportan como los poltergeists que son.

El estudio fue publicado en Física de la naturaleza.