Investigadores del Laboratorio Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) de la Universidad Estatal de Michigan (MSU) han dado un paso importante hacia una descripción teórica de los primeros principios de la desintegración doble beta sin neutrinos. La observación de este raro proceso nuclear aún no confirmado tendría importantes implicaciones para la física de partículas y la cosmología. Las simulaciones teóricas son esenciales para planificar y evaluar los experimentos propuestos. El equipo de investigación presentó sus resultados en un artículo publicado recientemente en Cartas de revisión física .

Teóricos de FRIB Jiangming Yao, investigador asociado y autor principal del estudio, Roland Wirth, investigador asociado, y Heiko Hergert, profesor asistente, son miembros de una colaboración de actualidad sobre simetrías fundamentales y desintegración doble beta sin neutrinos. La Oficina de Ciencias de la Oficina de Física Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU. Está financiando la colaboración temática. Los teóricos unieron fuerzas con otros miembros de colaboración temática de la Universidad de Carolina del Norte-Chapel Hill y colaboradores externos de la Universidad Autónoma de Madrid. España. Su trabajo marca un hito importante hacia un cálculo teórico de las tasas de desintegración de doble beta sin neutrinos con incertidumbres totalmente controladas y cuantificadas.

Los autores desarrollaron el método de coordenadas de generador en medio (IM-GCM). Es un enfoque novedoso para modelar las interacciones entre nucleones que es capaz de describir la estructura compleja de los núcleos candidatos a esta desintegración. La primera aplicación de IM-GCM al cálculo de la tasa de desintegración beta doble sin neutrinos para el núcleo de calcio-48 prepara el terreno para las exploraciones de los otros candidatos con incertidumbre teórica controlable.

En desintegración doble beta sin neutrinos, dos protones se transforman simultáneamente en neutrones sin emitir los dos neutrinos que aparecen en los procesos de interacción débil más típicos. Si existiera, esta es una desintegración extremadamente rara que se espera que tenga una vida media superior a 10 septillones de años (un 1 con 25 ceros), lo que significa que la mitad de una muestra de núcleos habría sufrido una desintegración beta doble sin neutrinos en este período extremadamente largo.

Su observación demostraría que los neutrinos son sus propias antipartículas. Cada partícula subatómica tiene una antipartícula correspondiente, que tiene la misma masa pero una carga igual y opuesta. Las partículas y antipartículas pueden aniquilarse entre sí, dejando solo energía. Por eso, no se observarían neutrinos en la desintegración doble beta sin neutrinos. Una observación de desintegración de doble beta sin neutrinos mostraría que una ley fundamental, la conservación del número de leptones, se viola en la naturaleza. Esto podría ayudar a explicar por qué el universo contiene más materia que antimateria, que consta de las antipartículas antes mencionadas. La observación también dirigiría los esfuerzos para completar el Modelo Estándar de física de partículas.

"La ausencia de neutrinos en esta desintegración aún no confirmada hace posible determinar las masas de neutrinos, ", dijo Hergert." Estas masas son un parámetro importante en los modelos de la evolución del universo. La tasa de desintegración teórica es un ingrediente clave en la extracción de las masas de neutrinos de la vida útil medida, o al menos proporciona nuevos límites máximos para estas cantidades ".

Los cálculos teóricos como los presentados por los autores también ayudarán a determinar el tamaño de los detectores necesarios para experimentos de desintegración doble beta sin neutrinos a gran escala.

Desarrollar e implementar pruebas de simetrías fundamentales es un elemento importante de la misión de FRIB. Los experimentos de FRIB exploran la estructura de candidatos de desintegración beta doble sin neutrinos y sus isótopos vecinos, lo que afecta la velocidad a la que podría producirse la descomposición. Los métodos teóricos desarrollados para este estudio ahora se pueden aplicar a otros núcleos con estructuras complejas que se estudian en FRIB.