Un equipo internacional de científicos, incluidos investigadores del MIT, se ha acercado más a precisar la masa del escurridizo neutrino. Estas partículas parecidas a fantasmas impregnan el universo y, sin embargo, se cree que casi no tienen masa, fluyendo por millones a través de nuestros cuerpos sin dejar apenas rastro físico.

Los investigadores han determinado que la masa del neutrino no debe ser superior a 1 electrón voltio. Los científicos estimaron previamente que el límite superior de la masa del neutrino era de alrededor de 2 electronvoltios, por lo que esta nueva estimación reduce el rango de masa del neutrino en más de la mitad.

La nueva estimación se determinó en base a los datos tomados por KATRIN, el Experimento Karlsruhe Tritium Neutrino, en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania, e informado en la Conferencia de 2019 sobre Astropartículas y Física Subterránea la semana pasada. El experimento provoca la descomposición del gas tritio, que a su vez libera neutrinos, junto con los electrones. Mientras que los neutrinos se disipan rápidamente, La secuencia de imanes de KATRIN dirige los electrones del tritio al corazón del experimento:un espectrómetro gigante de 200 toneladas, donde se puede medir la masa y la energía de los electrones, y a partir de ahí los investigadores pueden calcular la masa de los neutrinos correspondientes.

Joseph Formaggio, profesor de física en el MIT, es un miembro destacado del grupo experimental KATRIN, y habló con MIT News sobre la nueva estimación y el camino a seguir en la búsqueda de neutrinos.

P:El neutrino, basado en los hallazgos de KATRIN, no puede ser más masivo que 1 electronvoltio. Pon este contexto para nosotros:qué ligero es esto, ¿Y qué tan importante es que la masa máxima del neutrino sea la mitad de lo que la gente pensaba anteriormente?

A:Bueno, esa es una pregunta algo difícil, Dado que las personas (incluido yo mismo) no tienen realmente un sentido intuitivo de cuál es la masa de cualquier partícula, pero intentemos. Considere algo muy pequeño, como un virus. Cada virus está compuesto por aproximadamente 10 millones de protones. Cada protón pesa alrededor de 2, 000 veces más que cada electrón dentro de ese virus. Y lo que mostraron nuestros resultados es que el neutrino tiene una masa inferior a 1/500, 000 de un solo electrón.

Permítanme decirlo de otra manera. En cada centímetro cúbico de espacio a tu alrededor, hay unos 300 neutrinos atravesando a toda velocidad. Estos son restos del universo primitivo, justo después del Big Bang. Si suma todos los neutrinos que residen dentro del sol, obtendría alrededor de un kilogramo o menos. Entonces, sí, es pequeño.

P:¿Qué pasó para determinar este nuevo límite de masa para el neutrino? y ¿cuál fue el papel del MIT en la búsqueda?

R:Este nuevo límite de masa proviene del estudio de la desintegración radiactiva del tritio, un isótopo de hidrógeno. Cuando el tritio se descompone, produce un ion helio-3, un electrón, y un antineutrino. De hecho, nunca vemos el antineutrino, sin embargo; el electrón transporta información sobre la masa del neutrino. Al estudiar la distribución de energía de los electrones expulsados ​​a las energías más altas permitidas, podemos deducir la masa del neutrino, gracias a la ecuación de Einstein, E =mc ² .

Sin embargo, estudiar esos electrones de alta energía es muy difícil. Por una cosa, toda la información sobre el neutrino está incrustada en una pequeña fracción del espectro; menos de una milmillonésima parte de las desintegraciones son útiles para esta medición. Entonces, necesitamos mucho inventario de tritio. También necesitamos medir la energía de esos electrones muy, muy precisamente. Es por eso que el experimento KATRIN es tan complicado de construir. Nuestra primera medición presentada hoy es la culminación de casi dos décadas de arduo trabajo y planificación.

El MIT se unió al experimento KATRIN cuando vine a Boston en 2005. Nuestro grupo ayudó a desarrollar las herramientas de simulación para comprender la respuesta de nuestro detector a alta precisión. Más recientemente, hemos estado involucrados en el desarrollo de herramientas para analizar los datos recopilados por el experimento.

P:¿Por qué importa la masa de un neutrino, y ¿qué se necesitará para concentrarse en su masa exacta?

R:El hecho de que los neutrinos tengan alguna masa fue una sorpresa para muchos físicos. Nuestros modelos anteriores predijeron que el neutrino debería tener una masa exactamente cero, una suposición disipada por el descubrimiento de que los neutrinos oscilan entre diferentes tipos. Eso significa que realmente no entendemos el mecanismo responsable de las masas de neutrinos, y es probable que sea muy diferente de cómo otras partículas alcanzan masa. También, nuestro universo está lleno de neutrinos primordiales del Big Bang. Incluso una pequeña masa tiene un impacto significativo en la estructura y la evolución del universo porque son abundantes.

Esta medida representa solo el comienzo de la medida de KATRIN. Con aproximadamente un mes de datos, pudimos mejorar los límites experimentales anteriores en un factor de dos. En los próximos años, estos límites mejorarán constantemente, es de esperar que resulte en una señal positiva (en lugar de solo un límite). También hay una serie de otros experimentos de masa de neutrinos directos en el horizonte que también compiten para alcanzar una mayor sensibilidad, y con eso, descubrimiento.

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.