En un laboratorio debajo de una montaña, los físicos están usando cristales mucho más fríos que el aire congelado para estudiar partículas fantasmales, con la esperanza de aprender secretos del comienzo del universo. Investigadores del Observatorio Criogénico Subterráneo de Eventos Raros (CUORE) anunciaron esta semana que habían puesto algunos de los límites más estrictos hasta ahora sobre la extraña posibilidad de que el neutrino sea su propia antipartícula. Los neutrinos son partículas profundamente inusuales, tan etéreas y tan ubicuas que pasan regularmente por nuestro cuerpo sin que nos demos cuenta. CUORE ha pasado los últimos tres años esperando pacientemente para ver evidencia de un proceso de descomposición nuclear distintivo, solo posible si los neutrinos y los antineutrinos son la misma partícula. Los nuevos datos de CUORE muestran que esta descomposición no ocurre durante billones de billones de años, si es que ocurre. Los límites de CUORE sobre el comportamiento de estos pequeños fantasmas son una parte crucial de la búsqueda del próximo avance en la física de partículas y nuclear, y la búsqueda de nuestros propios orígenes.

"En última instancia, estamos tratando de comprender la creación de materia", dijo Carlo Bucci, investigador del Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) en Italia y portavoz de CUORE. "Estamos buscando un proceso que viole una simetría fundamental de la naturaleza", agregó Roger Huang, investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y uno de los autores principales del nuevo estudio.

CUORE, "corazón" en italiano, se encuentra entre los experimentos con neutrinos más sensibles del mundo. Los nuevos resultados de CUORE se basan en un conjunto de datos diez veces mayor que cualquier otra búsqueda de alta resolución, recopilados durante los últimos tres años. CUORE es operado por una colaboración de investigación internacional, dirigida por el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia y Berkeley Lab en los EE. UU. El detector CUORE en sí está ubicado debajo de casi una milla de roca sólida en LNGS, una instalación de INFN. Los físicos nucleares apoyados por el Departamento de Energía de EE. UU. desempeñan un papel científico y técnico de liderazgo en este experimento. Los nuevos resultados de CUORE se publicaron hoy en Nature .

Partículas peculiares

Los neutrinos están en todas partes:hay billones de neutrinos que pasan solo a través de la uña del pulgar mientras lee esta oración. Son invisibles para las dos fuerzas más poderosas del universo, el electromagnetismo y la fuerza nuclear fuerte, lo que les permite atravesarlo a usted, la Tierra y casi cualquier otra cosa sin interactuar. A pesar de su gran número, su naturaleza enigmática los hace muy difíciles de estudiar y ha dejado a los físicos rascándose la cabeza desde que se postularon por primera vez hace más de 90 años. Ni siquiera se sabía si los neutrinos tenían alguna masa hasta finales de la década de 1990; resulta que la tienen, aunque no mucha.

Una de las muchas preguntas abiertas que quedan sobre los neutrinos es si son sus propias antipartículas. Todas las partículas tienen antipartículas, su propia contraparte de antimateria:los electrones tienen antielectrones (positrones), los quarks tienen antiquarks y los neutrones y protones (que forman los núcleos de los átomos) tienen antineutrones y antiprotones. Pero a diferencia de todas esas partículas, es teóricamente posible que los neutrinos sean sus propias antipartículas. Estas partículas, que son sus propias antipartículas, fueron postuladas por primera vez por el físico italiano Ettore Majorana en 1937 y se conocen como fermiones de Majorana.

Si los neutrinos son fermiones de Majorana, eso podría explicar una pregunta profunda en la raíz de nuestra propia existencia:por qué hay tanta más materia que antimateria en el universo. Los neutrinos y los electrones son ambos leptones, una especie de partícula fundamental. Una de las leyes fundamentales de la naturaleza parece ser que el número de leptones siempre se conserva:si un proceso crea un leptón, también debe crear un anti-leptón para equilibrarlo. De manera similar, las partículas como los protones y los neutrones se conocen como bariones, y el número de bariones también parece estar conservado. Sin embargo, si los números de bariones y leptones se conservaran siempre, entonces habría exactamente tanta materia en el universo como antimateria, y en el universo primitivo, la materia y la antimateria se habrían encontrado y aniquilado, y no existiríamos. Algo debe violar la conservación exacta de bariones y leptones. Ingrese el neutrino:si los neutrinos son sus propias antipartículas, entonces el número de leptones no tendría que conservarse, y nuestra existencia se vuelve mucho menos misteriosa.

"La asimetría materia-antimateria en el universo aún no tiene explicación", dijo Huang. "Si los neutrinos son sus propias antipartículas, eso podría ayudar a explicarlo".

Tampoco es esta la única pregunta que podría responder un neutrino de Majorana. La extrema ligereza de los neutrinos, alrededor de un millón de veces más ligero que el electrón, ha desconcertado durante mucho tiempo a los físicos de partículas. Pero si los neutrinos son sus propias antipartículas, entonces una solución existente conocida como "mecanismo de balancín" podría explicar la ligereza de los neutrinos de una manera elegante y natural.

Un dispositivo raro para caries raras

Pero determinar si los neutrinos son sus propias antipartículas es difícil, precisamente porque no interactúan muy a menudo. La mejor herramienta de los físicos para buscar neutrinos de Majorana es un tipo hipotético de desintegración radiactiva llamada desintegración beta doble sin neutrinos. La desintegración beta es una forma bastante común de desintegración en algunos átomos, convirtiendo un neutrón en el núcleo del átomo en un protón, cambiando el elemento químico del átomo y emitiendo un electrón y un antineutrino en el proceso. La desintegración doble beta es más rara:en lugar de que un neutrón se convierta en un protón, dos de ellos lo hacen, emitiendo dos electrones y dos antineutrinos en el proceso. Pero si el neutrino es un fermión de Majorana, entonces, teóricamente, eso permitiría que un solo neutrino "virtual", actuando como su propia antipartícula, tome el lugar de ambos antineutrinos en la desintegración doble beta. Solo los dos electrones lograrían salir del núcleo atómico. La desintegración doble beta sin neutrinos se ha teorizado durante décadas, pero nunca se ha visto.

El experimento CUORE ha hecho todo lo posible para capturar átomos de telurio en el acto de esta descomposición. El experimento utiliza casi mil cristales de óxido de telurio de gran pureza, que en conjunto pesan más de 700 kg. Esta cantidad de telurio es necesaria porque, en promedio, se necesitan miles de millones de veces más que la edad actual del universo para que un solo átomo inestable de telurio sufra una desintegración beta doble ordinaria. Pero hay trillones de trillones de átomos de telurio en cada uno de los cristales que utiliza CUORE, lo que significa que la desintegración doble beta ordinaria ocurre con bastante regularidad en el detector, unas pocas veces al día en cada cristal. La desintegración beta doble sin neutrinos, si ocurre, es aún más rara y, por lo tanto, el equipo de CUORE debe trabajar duro para eliminar tantas fuentes de radiación de fondo como sea posible. Para proteger el detector de los rayos cósmicos, todo el sistema está ubicado debajo de la montaña Gran Sasso, la montaña más grande de la península italiana. Varias toneladas de plomo proporcionan un mayor blindaje. Pero el plomo recién extraído es ligeramente radiactivo debido a la contaminación por uranio y otros elementos, y esa radiactividad disminuye con el tiempo, por lo que el plomo utilizado para rodear la parte más sensible de CUORE es principalmente plomo recuperado de un antiguo barco romano hundido, de casi 2000 años. .

Quizás la pieza de maquinaria más impresionante utilizada en CUORE es el criostato, que mantiene frío el detector. Para detectar la desintegración beta doble sin neutrinos, la temperatura de cada cristal en el detector CUORE se controla cuidadosamente con sensores capaces de detectar un cambio de temperatura tan pequeño como una diezmilésima de grado Celsius. La desintegración beta doble sin neutrinos tiene una firma de energía específica y elevaría la temperatura de un solo cristal en una cantidad bien definida y reconocible. Pero para mantener esa sensibilidad, el detector debe mantenerse muy frío; específicamente, se mantiene alrededor de 10 mK, una centésima de grado por encima del cero absoluto. "Este es el metro cúbico más frío del universo conocido", dijo Laura Marini, investigadora del Instituto de Ciencias Gran Sasso y coordinadora de carreras de CUORE. La sensibilidad resultante del detector es verdaderamente fenomenal. "Cuando hubo grandes terremotos en Chile y Nueva Zelanda, vimos destellos en nuestro detector", dijo Marini. "También podemos ver olas rompiendo en la orilla del mar Adriático, a 60 kilómetros de distancia. Esa señal aumenta en invierno, cuando hay tormentas".

Un neutrino a través del corazón

A pesar de esa sensibilidad fenomenal, CUORE aún no ha visto evidencia de desintegración beta doble sin neutrinos. En cambio, CUORE ha establecido que, en promedio, esta descomposición ocurre en un solo átomo de telurio no más de una vez cada 22 billones de billones de años. "La desintegración beta doble sin neutrinos, si se observa, será el proceso más raro jamás observado en la naturaleza, con una vida media más de un millón de billones de veces más larga que la edad del universo", dijo Danielle Speller, profesora asistente en la Universidad Johns Hopkins y miembro del Consejo de Física de CUORE. "CUORE may not be sensitive enough to detect this decay even if it does occur, but it's important to check. Sometimes physics yields surprising results, and that's when we learn the most." Even if CUORE doesn't find evidence of neutrinoless double-beta decay, it is paving the way for the next generation of experiments. CUORE's successor, the CUORE Upgrade with Particle Identification (CUPID) is already in the works. CUPID will be over 10 times more sensitive than CUORE, potentially allowing it to glimpse evidence of a Majorana neutrino.

But regardless of anything else, CUORE is a scientific and technological triumph—not only for its new bounds on the rate of neutrinoless double beta decay, but also for its demonstration of its cryostat technology. "It's the largest refrigerator of its kind in the world," said Paolo Gorla, a staff scientist at LNGS and CUORE's Technical Coordinator. "And it's been kept at 10 mK continuously for about three years now." Such technology has applications well beyond fundamental particle physics. Specifically, it may find use in quantum computing, where keeping large amounts of machinery cold enough and shielded from environmental radiation to manipulate on a quantum level is one of the major engineering challenges in the field.

Meanwhile, CUORE isn't done yet. "We'll be operating until 2024," said Bucci. "I'm excited to see what we find." + Explora más

CUORE experiment constrains neutrino properties