Entre los desafíos más emocionantes de la física moderna se encuentra la identificación del ordenamiento de masas de neutrinos. Los físicos del Cluster of Excellence PRISMA + de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) desempeñan un papel destacado en un nuevo estudio que indica que el enigma del ordenamiento de masas de neutrinos finalmente puede resolverse en los próximos años. Esto será gracias al desempeño combinado de dos nuevos experimentos de neutrinos que están en proceso:el experimento de Actualización del IceCube en el Polo Sur y el Observatorio Subterráneo de Neutrinos de Jiangmen (JUNO) en China. Pronto darán a los físicos acceso a datos mucho más sensibles y complementarios sobre el ordenamiento de masas de neutrinos.

Los neutrinos son los camaleones entre las partículas elementales.

Los neutrinos son producidos por fuentes naturales, en el interior del sol u otros objetos astronómicos, por ejemplo, pero también en grandes cantidades por centrales nucleares. Sin embargo, pueden atravesar la materia normal, como el cuerpo humano, prácticamente sin obstáculos sin dejar rastro de su presencia. Esto significa que se necesitan métodos extremadamente complejos que requieren el uso de detectores masivos para observar las reacciones raras ocasionales en las que están involucradas estas 'partículas fantasma'.

Los neutrinos vienen en tres tipos diferentes:electrones, neutrinos muon y tau. Pueden cambiar de un tipo a otro, un fenómeno que los científicos llaman "oscilación de neutrinos". Es posible determinar la masa de las partículas a partir de observaciones de los patrones de oscilación. Por años ahora, Los físicos han estado tratando de establecer cuál de los tres neutrinos es el más liviano y cuál es el más pesado. Prof. Michael Wurm, un físico en el PRISMA + Cluster of Excellence y el Instituto de Física en JGU, que está desempeñando un papel fundamental en la creación del experimento JUNO en China, explica:"Creemos que responder a esta pregunta contribuirá significativamente a que podamos recopilar datos a largo plazo sobre la violación de la simetría materia-antimateria en el sector de neutrinos. Entonces, usando estos datos, esperamos descubrir de una vez por todas por qué la materia y la antimateria no se aniquilaron por completo después del Big Bang ".

La cooperación global da sus frutos

Ambos experimentos a gran escala utilizan métodos muy diferentes y complementarios para resolver el rompecabezas del ordenamiento de masas de neutrinos. "Un enfoque obvio es combinar los resultados esperados de ambos experimentos, "señala el profesor Sebastian Böser, también del PRISMA + Cluster of Excellence y el Instituto de Física en JGU, que investiga neutrinos y es un importante contribuyente al experimento IceCube.

Dicho y hecho. En el número actual de la revista Revisión física D , Los investigadores de IceCube y la colaboración JUNO han publicado un análisis combinado de sus experimentos. Para esto, los autores simularon los datos experimentales previstos en función del tiempo de medición para cada experimento. Los resultados varían dependiendo de si las masas de neutrinos están en su orden normal o invertido (invertido). Próximo, los físicos realizaron una prueba estadística, en el que aplicaron un análisis combinado a los resultados simulados de ambos experimentos. Esto reveló el grado de sensibilidad con el que ambos experimentos combinados podían predecir el orden correcto, o más bien descartar el pedido incorrecto. Como los patrones de oscilación observados en JUNO y IceCube dependen del orden de masa de neutrinos real de una manera específica para cada experimento, la prueba combinada tiene un poder de discriminación significativamente mayor que los resultados experimentales individuales. La combinación permitirá así descartar definitivamente el ordenamiento incorrecto de la masa de neutrinos en un período de medición de tres a siete años.

"En este caso, el todo realmente es más que la suma de sus partes, ", concluye Sebastian Böser." Aquí tenemos una clara evidencia de la efectividad de un enfoque experimental complementario cuando se trata de resolver los rompecabezas de neutrinos restantes "." Ningún experimento podría lograr esto por sí solo, ya sea la actualización de IceCube, JUNO o cualquiera de los otros actualmente en ejecución, ", agrega Michael Wurm." Además, muestra lo que los físicos de neutrinos aquí en Mainz pueden lograr trabajando juntos ".