El diseño y las principales características de la instalación experimental de KATRIN en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe. Crédito:Instituto de Tecnología de Karlsruhe
Un equipo internacional de científicos ha anunciado un gran avance en su búsqueda para medir la masa del neutrino, uno de los mas abundantes, pero escurridizo, partículas elementales en nuestro universo.
En la conferencia Temas de Astropartículas y Física Subterránea de 2019 en Toyama, Japón, Los líderes del experimento KATRIN informaron el 13 de septiembre que el rango estimado para la masa en reposo del neutrino no es mayor que 1 electrón voltio. o eV. Estos resultados inaugurales obtenidos a principios de este año por el experimento de Karlsruhe Tritium Neutrino, o KATRIN, redujeron el rango de masa del neutrino en más de la mitad al reducir el límite superior de la masa del neutrino de 2 eV a 1 eV. El límite inferior de la masa de neutrinos, 0,02 eV, fue establecido por experimentos previos de otros grupos.
"Conocer la masa del neutrino permitirá a los científicos responder preguntas fundamentales en cosmología, astrofísica y física de partículas, como cómo evolucionó el universo o qué física existe más allá del Modelo Estándar, "dijo Hamish Robertson, científico de KATRIN y profesor emérito de física en la Universidad de Washington. "Estos hallazgos de la colaboración de KATRIN reducen el rango de masa anterior para el neutrino en un factor de dos, colocar criterios más estrictos sobre cuál es realmente la masa del neutrino, y proporcionar un camino a seguir para medir su valor definitivamente ".
El experimento KATRIN se basa en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania e involucra a investigadores de 20 instituciones de investigación de todo el mundo. Además de la Universidad de Washington, Las instituciones miembros de KATRIN en los Estados Unidos son:
Bajo Robertson y Wilkerson, la Universidad de Washington se convirtió en una de las instituciones miembro fundadoras de KATRIN en 2001. Más tarde, Wilkerson se trasladó a la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill. Formaggio y Parno comenzaron su participación en KATRIN como investigadores de la Universidad de Washington y luego se trasladaron a sus instituciones actuales. Además de Robertson, Otros científicos actuales de la UW que trabajan en el experimento KATRIN son el profesor investigador de física Peter Doe, profesor asociado de investigación de física Sanshiro Enomoto y Menglei Sun, investigador postdoctoral en el Centro de Física Nuclear Experimental y Astrofísica de la Universidad de Washington.
Los neutrinos son abundantes. Son una de las partículas fundamentales más comunes en nuestro universo, solo superado por los fotones. Sin embargo, los neutrinos también son escurridizos. Son partículas neutras sin carga e interactúan con otra materia solo a través de la acertadamente denominada "interacción débil, "lo que significa que las oportunidades para detectar neutrinos y medir su masa son raras y difíciles.
El espectrómetro para el experimento KATRIN, mientras se abre camino a través de la ciudad alemana de Eggenstein-Leopoldshafen en 2006 en su camino hacia el cercano Instituto de Tecnología de Karlsruhe. Crédito:Instituto de Tecnología de Karlsruhe
"Si llenaste el sistema solar con plomo cincuenta veces más allá de la órbita de Plutón, Aproximadamente la mitad de los neutrinos emitidos por el sol aún dejarían el sistema solar sin interactuar con ese plomo, "dijo Robertson.
Los neutrinos también son partículas misteriosas que ya han sacudido la física, cosmología y astrofísica. El modelo estándar de física de partículas había predicho una vez que los neutrinos no deberían tener masa. Pero en 2001, los científicos habían mostrado con dos detectores, Super-Kamiokande y el Observatorio de Neutrinos de Sudbury, que en realidad tienen una masa distinta de cero, un avance reconocido en 2015 con el Premio Nobel de Física. Los neutrinos tienen masa, ¿Pero cuanto?
"Resolver la masa del neutrino nos llevaría a un mundo nuevo y valiente para crear un nuevo modelo estándar, "dijo Doe.
El descubrimiento de KATRIN se deriva directamente, mediciones de alta precisión de cómo un tipo raro de par electrón-neutrino comparte energía. Este enfoque es el mismo que el de los experimentos de masa de neutrinos de la década de 1990 y principios de la de 2000 en Mainz. Alemania, y Troitsk, Rusia, ambos establecen el límite superior anterior de la masa en 2 eV. El corazón del experimento KATRIN es la fuente que genera pares de electrones y neutrinos:tritio gaseoso, un isótopo de hidrógeno altamente radiactivo. A medida que el núcleo de tritio sufre desintegración radiactiva, emite un par de partículas:un electrón y un neutrino, ambos comparten 18, 560 eV de energía.
Los científicos de KATRIN no pueden medir directamente los neutrinos, pero pueden medir electrones, e intentar calcular las propiedades de los neutrinos basándose en las propiedades de los electrones.
La mayoría de los pares de electrones y neutrinos emitidos por el tritio comparten su carga de energía por igual. Pero en casos raros, el electrón toma casi toda la energía, dejando solo una pequeña cantidad para el neutrino. Esos pares raros son lo que buscan los científicos de KATRIN porque, gracias a E =mc2, los científicos saben que la minúscula cantidad de energía que queda para el neutrino debe incluir su masa en reposo. Si KATRIN puede medir con precisión la energía del electrón, pueden calcular la energía del neutrino y por lo tanto su masa.
La fuente de tritio genera alrededor de 25 mil millones de pares de electrones y neutrinos por segundo, sólo una fracción de los cuales son pares donde el electrón toma casi toda la energía de desintegración. La instalación de KATRIN en Karlsruhe utiliza una serie compleja de imanes para canalizar el electrón lejos de la fuente de tritio y hacia un espectrómetro electrostático. que mide la energía de los electrones con alta precisión. Un potencial eléctrico dentro del espectrómetro crea un "gradiente de energía" que los electrones deben "subir" para pasar a través del espectrómetro para su detección. Ajustar el potencial eléctrico permite a los científicos estudiar lo raro, electrones de alta energía, que llevan información sobre la masa de neutrinos.
En esta imagen de 2010, miembros del experimento KATRIN posan frente al espectrómetro después de su instalación en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe. Crédito:Joachim Wolf / Instituto de Tecnología de Karlsruhe
Las instituciones estadounidenses han realizado amplias contribuciones a KATRIN, incluido el suministro del sistema detector de electrones, el "ojo" de KATRIN, que mira hacia el corazón del espectrómetro, un instrumento construido en la UW. La Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill lideró el desarrollo del sistema de adquisición de datos del detector, los "cerebros" de KATRIN. La contribución del MIT fue el diseño y desarrollo del software de simulación utilizado para modelar la respuesta de KATRIN. El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley contribuyó a la creación del programa de análisis de física y proporcionó acceso a las instalaciones informáticas nacionales. y un conjunto de aplicaciones que se originó en la Universidad de Washington permitió un análisis rápido. La Universidad Case Western Reserve fue responsable del diseño del cañón de electrones, fundamental para calibrar el aparato KATRIN. La Universidad Carnegie Mellon contribuyó principalmente al análisis, con especial atención al fondo y al ajuste, y ayudó en la coordinación del análisis para el experimento.
Con la adquisición de datos de tritio ahora en marcha, Las instituciones estadounidenses se centran en analizar estos datos para mejorar aún más nuestra comprensión de la masa de neutrinos. Estos esfuerzos también pueden revelar la existencia de neutrinos estériles, un posible candidato para la materia oscura que, aunque representa el 85% de la materia en el universo, permanece sin ser detectado.
"KATRIN no es solo un faro brillante de investigación fundamental y un instrumento de alta tecnología extraordinariamente confiable, pero también motor de cooperación internacional, que proporciona una formación de primer nivel a investigadores jóvenes, ", dijeron los co-portavoces de KATRIN Guido Drexlin del Instituto de Tecnología de Karlsruhe y Christian Weinheimer de la Universidad de Münster en un comunicado.
Ahora que los científicos de KATRIN han establecido un nuevo límite superior para la masa del neutrino, Los científicos del proyecto están trabajando para reducir aún más el rango.
"Los neutrinos son pequeñas partículas extrañas, "dijo Doe." Son tan omnipresentes, y hay mucho que podemos aprender una vez que determinemos este valor ".
La Oficina de Física Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU. Ha financiado la participación de EE. UU. En el experimento KATRIN desde 2007.
