Los resultados del experimento KATRIN descartan un neutrino estéril ligero con una masa entre 3 y 30 electronvoltios. Un neutrino dentro de este rango se habría revelado por una curva en la línea naranja, p.ej. como se muestra aquí a 10 electronvoltios por debajo del valor final de 18,6 kiloelectronvoltios. (Línea verde:espectro de un neutrino estéril de luz virtual con una masa de 10 eV; línea azul:espectro del clásico, neutrino activo; línea naranja:espectro combinado. Crédito:Argumento:Colaboración KATRIN
Hay muchas preguntas en torno al neutrino de partículas elementales, en particular con respecto a su masa. Los físicos también están interesados en saber si además de los neutrinos "clásicos" existen variantes como los denominados neutrinos estériles. El experimento KATRIN ahora ha logrado reducir fuertemente la búsqueda de estas elusivas partículas. La publicación apareció recientemente en la revista Cartas de revisión física .
Estrictamente hablando, el neutrino no es una sola partícula, sino que comprende varias especies:el neutrino electrónico, el neutrino muón, y el neutrino tau. Estas partículas se transforman constantemente entre sí en un proceso denominado oscilación de neutrinos. Se supone que los neutrinos tienen masa; esto se determinará en el experimento KATRIN, que comenzó en 2019 en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT). Según los resultados hasta la fecha, el neutrino tiene una masa inferior a 1 electrón voltio.
KATRIN también podría usarse para rastrear especies relacionadas que hasta ahora solo han sido hipotéticas:los neutrinos estériles. La rama más pesada (masa en el rango de kiloelectronvoltios) se considera un candidato para la materia oscura y se buscará después de que se instale un nuevo detector en KATRIN. Aparte de esto, también podría haber un tipo de neutrino estéril más ligero.
Nuevos criterios de exclusión para el neutrino estéril ligero
Numerosos experimentos están buscando neutrinos estériles ligeros (masa en el rango de electronvoltios). También podría revelarse en el experimento KATRIN. La masa y la proporción de mezcla de neutrinos activos (normales) y estériles juegan un papel fundamental en la búsqueda del neutrino estéril ligero.
El área a la izquierda de las líneas muestra los rangos de búsqueda de los diversos experimentos para el neutrino estéril ligero. El área dentro de las líneas verdes marca la ubicación más probable para los neutrinos estériles ligeros. Las evaluaciones del experimento KATRIN (línea continua azul) reducen significativamente este rango de búsqueda. Crédito:Argumento:Colaboración KATRIN
Susanne Mertens y su equipo en el Instituto Max Planck de Física (MPP) lograron definir nuevos límites de exclusión con la ayuda de KATRIN. "Con nuestras evaluaciones, pudimos reducir significativamente el área de búsqueda de este neutrino, "dice Mertens.
Con el nuevo análisis de los datos de KATRIN, desarrollado por el grupo de Susanne Mertens y Thierry Lasserre en MPP, Ahora se puede descartar la existencia de neutrinos estériles con una masa entre aproximadamente 3 y 30 electronvoltios y una relación de mezcla superior al 10%. Este resultado complementa los límites de exclusión alcanzados anteriormente.
Buscar midiendo la masa de neutrinos
Pero, ¿cómo puede KATRIN encontrar neutrinos estériles? Usando el mismo método, el experimento también determina la masa del neutrino activo. La masa del neutrino se puede medir mediante desintegración radiactiva. KATRIN utiliza tritio (agua pesada) para este propósito. Cuando un protón se convierte en neutrón, se producen un neutrino y un electrón. La energía de desintegración de 18,6 kiloelectronvoltios se divide entre ellos.
"Sabemos que el neutrino es extremadamente ligero y recibe solo una pequeña fracción de la energía de desintegración, ", dice Mertens." La energía máxima del electrón se reduce por la masa del neutrino. "La masa del neutrino, por lo tanto, resulta de la diferencia entre la energía de desintegración y la energía máxima del electrón.
La detección del neutrino estéril ligero seguiría el mismo principio. Si también se liberan neutrinos estériles durante la desintegración radiactiva, dejaría un rastro visible en el espectro energético de los electrones. "Entonces aparecería una curva clara en la curva", explica Mertens. "Esto permitiría a KATRIN no sólo determinar la masa de neutrinos activos, sino también probar la existencia de otra especie de neutrinos".
