Récord mundial en la física de altas energías

 

Una nueva medición del peso máximo de los neutrinos abre una ventana a la nueva física y a la cosmología

Vista del interior del espectrómetro principal del experimento KATRIN para la determinación de la masa de neutrinos en el Campus Norte del KIT. MARKUS BREIG. KIT.

En lo que representa un nuevo récord mundial, el experimento internacional KArlsruhe TRItium Neutrino (KATRIN) ha limitado la masa de neutrinos con una precisión sin precedentes, rompiendo así una barrera en la física de neutrinos.

Un equipo de investigación internacional ha conseguido reducir el límite superior de la masa del neutrino, la partícula más ligera de la materia, a 0,8 electronvoltios, posibilitando así modelos más precisos del universo, tanto el primitivo como el actual.

Eso es un verdadero avance, ya que rompe la “barrera psicológica” que teníamos de no saber si el neutrino pesa más de 1 eV. Es importante destacar que ahora sabemos que el neutrino es al menos 500.000 veces más ligero que el electrón, destaca al respecto el físico Björn Lehnert en Physics  World. Los neutrinos se encuentran entre las partículas materiales más abundantes del universo. Decenas de miles de millones de neutrinos atraviesan cada segundo cada centímetro cuadrado de la superficie terrestre sin que nos demos cuenta. Son un remanente significativo del Big Bang, se forman en grandes cantidades en los núcleos de algunas estrellas y acompañan la descomposición de muchos radionúclidos, como el tritio, el isótopo más pesado del hidrógeno. Los neutrinos juegan un papel importante en la disposición de las grandes estructuras galácticas. En el campo cuántico, sigue siendo un misterio por qué la masa de los neutrinos es tan pequeña, y la respuesta a esta pregunta podría conducir a la expansión de la física más allá de las teorías actuales.

Objetivo importante

Sabemos desde hace algún tiempo que su masa es distinta de cero. En al menos uno de los tres estados en los que ocurren los neutrinos, es de 0,05 eV.

Por lo tanto, determinar la masa en reposo de los neutrinos es un objetivo importante, tanto en física de partículas como en astrofísica y cosmología.

Un grupo de 150 científicos, técnicos y estudiantes de seis países, dirigido por el Dr. Magnus Schlösser, del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), y la profesora Susanne Mertens, del Instituto Max Planck de Física y la Universidad Técnica de Múnich, emprendieron la determinación directa, es decir, independiente del modelo, de la masa del neutrino dentro del experimento internacional KArlsruhe TRItium Neutrino (KATRIN).

Cooperación internacional

En el KIT, el equipo internacional que ha desarrollado esta investigación construyó un aparato de 70 metros de largo después de muchos años de esfuerzos, cuyas partes principales son la fuente de gas tritio más intensa del mundo, y un potente espectrómetro de electrones, con el que se pueden medir las energías de los electrones en desintegración con una precisión sin precedentes.

Una serie de mediciones de control ha demostrado que el aparato permite estudiar los espectros de energía de los electrones de la desintegración del tritio de la manera más perfecta hasta el momento. Las mediciones científicas comenzaron en 2018.

El resultado de la segunda serie de mediciones es inequívoco. El equipo de KATRIN comparó el espectro medido con la predicción teórica para diferentes valores y obtuvo un nuevo resultado, nuevamente el mejor del mundo, con un 90 % de confianza estadística.

Así, después de muchos años de esfuerzos de los físicos experimentales, se superó significativamente el valor simbólico de 1 eV para el límite superior de la masa del neutrino.

Este refinamiento permite a los científicos crear modelos más fiables de los procesos que tienen lugar tanto en el universo actual como en su comienzo, poco después del Big Bang. De esta manera, pueden excluir a aquellos que ya no resisten el valor refinado.

Medición sin precedentes

Los investigadores realizaron la segunda serie de mediciones en mejores condiciones: lograron aumentar la intensidad de la fuente criogénica de tritio a cuatro veces el valor anterior, cumpliendo así uno de los desafíos técnicos del proyecto KATRIN. El ruido de fondo se redujo en un 25%.

"De los 60 mil millones de electrones emitidos por la fuente de tritio en cada segundo de la medición de 750 horas, se seleccionaron cuatro millones de electrones para estudiar la masa del neutrino con una sensibilidad sin precedentes", explica Magnus Schlösser.

La confiabilidad del resultado se vio reforzada por el hecho de que los electrones seleccionados fueron analizados por tres grupos independientes, que compararon sus resultados parciales y predicciones teóricas.

Simultáneamente a la medición de la masa del neutrino, los expertos del equipo del experimento KATRIN publicaron recientemente resultados notables, que limitan aún más la posible existencia de nuevos tipos de neutrinos ligeros.

Por lo tanto, es una esperanza legítima que un espectrómetro gigante pueda explorar una serie de propiedades clave de esta notable partícula para fines de esta década, concluyen los investigadores.

Referencia

Direct neutrino-mass measurement with sub-electronvolt sensitivity. The KATRIN Collaboration. Nature Physics volume 18, pages160–166 (2022).