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    Los científicos informan los primeros resultados del experimento de la montaña de neutrinos

    Vista inferior de las 19 torres CUORE instaladas en el criostato. Crédito:Colaboración CUORE

    Esta semana, un equipo internacional de físicos, incluidos investigadores del MIT, informa los primeros resultados de un experimento subterráneo diseñado para responder una de las preguntas más fundamentales de la física:¿Por qué nuestro universo está compuesto principalmente de materia?

    Según la teoría, el Big Bang debería haber producido cantidades iguales de materia y antimateria, esta última formada por "antipartículas" que son esencialmente imágenes especulares de la materia, sólo soportan cargas opuestas a las de los protones, electrones, neutrones, y otras contrapartes de partículas. Y todavía, vivimos en un universo decididamente material, hecho principalmente de galaxias, estrellas, planetas y todo lo que vemos a nuestro alrededor, y muy poca antimateria.

    Los físicos postulan que algún proceso debe haber inclinado la balanza a favor de la materia durante los primeros momentos posteriores al Big Bang. Uno de esos procesos teóricos involucra al neutrino, una partícula que, a pesar de no tener casi masa e interactuar muy poco con otra materia, se cree que impregna el universo, con billones de partículas parecidas a fantasmas fluyendo inofensivamente a través de nuestros cuerpos cada segundo.

    Existe la posibilidad de que el neutrino sea su propia antipartícula, lo que significa que puede tener la capacidad de transformarse entre una versión materia y antimateria de sí mismo. Si ese es el caso, Los físicos creen que esto podría explicar el desequilibrio del universo, como neutrinos más pesados, producido inmediatamente después del Big Bang, habría decaído asimétricamente, produciendo más materia, en lugar de antimateria, versiones de sí mismos.

    Una forma de confirmar que el neutrino es su propia antipartícula, es detectar un proceso extremadamente raro conocido como "desintegración doble beta sin neutrinos, "en el que un isótopo estable, como telurio o xenón, emite ciertas partículas, incluyendo electrones y antineutrinos, ya que se descompone naturalmente. Si el neutrino es de hecho su propia antipartícula, luego, de acuerdo con las reglas de la física, los antineutrinos deben anularse entre sí, y este proceso de desintegración debería ser "sin neutrinos". Cualquier medida de este proceso solo debería registrar los electrones que escapan del isótopo.

    El experimento subterráneo conocido como CUORE, para el Observatorio Criogénico Subterráneo para Eventos Raros, está diseñado para detectar una desintegración doble beta sin neutrinos a partir de la desintegración natural de 988 cristales de dióxido de telurio. En un artículo publicado esta semana en Cartas de revisión física , investigadores, incluidos los físicos del MIT, informe sobre los primeros dos meses de datos recopilados por CUORE ("corazón" en italiano). Y aunque todavía no han detectado el proceso revelador, han podido establecer los límites más estrictos hasta ahora sobre la cantidad de tiempo que debería llevar dicho proceso, si es que existe. Según sus resultados, estiman que un solo átomo de telurio debería sufrir una desintegración doble beta sin neutrinos, a lo sumo, una vez cada 10 septillones (1 seguido de 25 ceros) años.

    Teniendo en cuenta la enorme cantidad de átomos dentro de los 988 cristales del experimento, los investigadores predicen que dentro de los próximos cinco años deberían poder detectar al menos cinco átomos sometidos a este proceso, si existiera, proporcionando una prueba definitiva de que el neutrino es su propia antipartícula.

    "Es un proceso muy raro, si se observa, sería lo más lento que jamás se haya medido, "dice Lindley Winslow, miembro de CUORE, el profesor asistente de desarrollo de carrera Jerrold R. Zacharias de física en el MIT, quién dirigió el análisis. "La gran emoción aquí es que pudimos ejecutar 998 cristales juntos, y ahora estamos en camino de intentar ver algo ".

    La colaboración CUORE incluye a unos 150 científicos principalmente de Italia y los EE. UU., incluyendo a Winslow y un pequeño equipo de postdoctorados y estudiantes graduados del MIT.

    Investigadores que trabajan en el criostato. Crédito:Colaboración CUORE

    El cubo más frío del universo

    El experimento CUORE se encuentra bajo tierra, enterrado en lo profundo de una montaña en el centro de Italia, para protegerlo de estímulos externos como el constante bombardeo de radiación de fuentes en el universo.

    El corazón del experimento es un detector que consta de 19 torres, cada uno contiene 52 cristales en forma de cubo de dióxido de telurio, totalizando 988 cristales en total, con una masa de unos 742 kilogramos, o 1, 600 libras. Los científicos estiman que esta cantidad de cristales contiene alrededor de 100 septillones de átomos del isótopo de telurio en particular. Los sensores electrónicos y de temperatura están conectados a cada cristal para monitorear los signos de su descomposición.

    Todo el detector reside dentro de un refrigerador ultrafrío, aproximadamente del tamaño de una máquina expendedora, que mantiene una temperatura constante de 6 milikelvin, o -459,6 grados Fahrenheit. Los investigadores de la colaboración han calculado previamente que este frigorífico es el metro cúbico más frío que existe en el universo.

    El experimento debe mantenerse extremadamente frío para detectar cambios mínimos en la temperatura generados por la desintegración de un solo átomo de telurio. En un proceso normal de desintegración doble beta, un átomo de telurio emite dos electrones, así como dos antineutrinos, que equivalen a una cierta energía en forma de calor. En el caso de una desintegración doble beta sin neutrinos, los dos antineutrinos deben anularse entre sí, y solo se generaría la energía liberada por los dos electrones. Los físicos han calculado previamente que esta energía debe rondar los 2,5 megaelectrones voltios (Mev).

    En los dos primeros meses de funcionamiento de CUORE, Los científicos esencialmente han estado tomando la temperatura de los 988 cristales de telurio, buscando cualquier pico minúsculo de energía alrededor de esa marca de 2.5 Mev.

    "CUORE es como un termómetro gigantesco, "Dice Winslow." Siempre que vea un depósito de calor en un cristal, terminas viendo un pulso que puedes digitalizar. Luego pasas y miras estos pulsos, y la altura y el ancho del pulso corresponden a cuánta energía había. Luego, hace un acercamiento y cuenta cuántos eventos fueron a 2.5 Mev, y básicamente no vimos nada. Lo que probablemente sea bueno porque no esperábamos ver nada en los primeros dos meses de datos ".

    El corazón seguirá

    Los resultados más o menos indican que, dentro de la breve ventana en la que CUORE ha operado hasta ahora, no uno de los 1, 000 septillones de átomos de telurio en el detector sufrieron una desintegración doble beta sin neutrinos. Estadísticamente hablando, esto significa que tomaría al menos 10 septillones de años, o años, que un solo átomo sufra este proceso si un neutrino es de hecho su propia antipartícula.

    "Para el dióxido de telurio, este es el mejor límite para la duración de este proceso que hemos obtenido, "Dice Winslow.

    CUORE continuará monitoreando los cristales durante los próximos cinco años, y los investigadores ahora están diseñando la próxima generación del experimento, al que han denominado CUPID, un detector que buscará el mismo proceso en un número aún mayor de átomos. Más allá de CUPID, Winslow dice que solo hay uno más, iteración más grande que sería posible, antes de que los científicos puedan llegar a una conclusión definitiva.

    "Si no lo vemos dentro de 10 a 15 años, luego, a menos que la naturaleza elija algo realmente extraño, lo más probable es que el neutrino no sea su propia antipartícula, "Dice Winslow." La física de partículas te dice que no hay mucho más margen de maniobra para que el neutrino siga siendo su propia antipartícula, y que no lo hayas visto. No hay muchos lugares para esconderse ".

    Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.

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