¿Cuál es la masa de un neutrino en reposo? Ésta es una de las grandes preguntas sin respuesta de la física. Los neutrinos desempeñan un papel central en la naturaleza. Un equipo dirigido por Klaus Blaum, director del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg, ha realizado una importante contribución al "pesar" neutrinos en el marco de la colaboración internacional ECHo. Sus hallazgos se publican en Nature Physics. .
Utilizando una trampa de Penning, ha medido con extrema precisión el cambio de masa de un isótopo de holmio-163 cuando su núcleo captura un electrón y se convierte en disprosio-163. A partir de esto, pudo determinar el valor Q con 50 veces más precisión que antes. Utilizando un valor Q más preciso se pueden revelar posibles errores sistemáticos en la determinación de la masa del neutrino.
En la década de 1930, resultó que ni el equilibrio de energía ni el de momento son correctos en la desintegración beta radiactiva de un núcleo atómico. Esto llevó al postulado de "partículas fantasmas" que "secretamente" se llevan energía y impulso. En 1956 finalmente se obtuvo prueba experimental de tales neutrinos. El desafío:los neutrinos solo interactúan con otras partículas de materia a través de la interacción débil que también subyace a la desintegración beta de un núcleo atómico.
Por este motivo, cientos de billones de neutrinos del cosmos, especialmente del sol, pueden atravesar nuestro cuerpo cada segundo sin causar ningún daño. Las colisiones extremadamente raras de neutrinos con otras partículas de materia sólo pueden detectarse con detectores enormes.
Los neutrinos solares aportaron otra revelación revolucionaria:los tres tipos de neutrinos conocidos hasta ahora pueden transformarse entre sí. Sin embargo, estas "oscilaciones de neutrinos" tuvieron graves consecuencias para la visión del mundo de la física de partículas. Anteriormente se suponía que los neutrinos no tenían masa en reposo, como los fotones.
Esto sería compatible con el modelo estándar de física de partículas, la mejor descripción del mundo de las partículas hasta la fecha. Sin embargo, las oscilaciones forzaron una masa en reposo para los neutrinos, una indicación más de que debe existir una nueva física más allá del modelo estándar.
Por lo tanto, conocer la masa exacta en reposo del neutrino sería un sésamo abierto hacia el desconocido mundo de la nueva física. Desafortunadamente, no se puede simplemente colocar un neutrino en una balanza. Esto requiere experimentos extremadamente complejos sobre procesos físicos técnicamente accesibles que involucran neutrinos.
"Una forma es la desintegración beta del tritio", explica Christoph Schweiger, estudiante de doctorado en el departamento de Klaus Blaum en el Instituto Max Planck de Física Nuclear. Aquí, uno de los dos neutrones del hidrógeno superpesado se desintegra en un protón y emite un electrón y un neutrino, transformando así el átomo en helio más ligero. Este proceso es "pesado" por el experimento KATRIN en el Instituto Tecnológico de Karlsruhe.
"La vía complementaria es la captura de electrones del isótopo artificial holmio-163", continúa Schweiger. Aquí, el núcleo atómico captura un electrón de la capa electrónica interna, por lo que un protón se convierte en un neutrón, lo que da como resultado el elemento disprosio-163. Esto también libera, entre otras cosas, un neutrino. La colaboración internacional ECHo, en la que participan los científicos de Heidelberg, intenta medir energéticamente este proceso de descomposición con extrema precisión.
Según la E =mc 2 de Einstein , la masa y la energía son equivalentes, por lo que medir energía puede equipararse a pesar masas. Como "calorímetro", ECHo mide con extrema precisión la energía total liberada en esta desintegración:esto corresponde como máximo al valor Q menos la masa en reposo del neutrino liberado. Para ello se incorpora el isótopo holmio-163 en una capa de átomos de oro.
"Sin embargo, estos átomos de oro podrían influir en el holmio-163", explica Schweiger. "Por lo tanto, es importante medir el valor de Q con la mayor precisión posible mediante un método alternativo y compararlo con el valor determinado calorimétricamente para detectar posibles fuentes sistemáticas de error."
Aquí entran en juego el experimento de la pentatrampa de Heidelberg y la tesis doctoral de Schweiger. Pentatrap consta de cinco trampas Penning. En estas trampas, los átomos cargados eléctricamente pueden ser capturados en una combinación de un campo eléctrico y magnético estático.
Estos iones realizan una intrincada "danza circular" que permite determinar su masa con extrema precisión. "Con un Airbus A-380 con carga máxima, se podría utilizar esta sensibilidad para determinar si ha caído sobre él una sola gota de agua", afirma el físico, ilustrando las capacidades de esta superescala.
En principio, una trampa Penning funciona como un columpio. Si colocas a dos niños de diferentes pesos uno al lado del otro en dos columpios del mismo tipo y los empujas con la misma fuerza, observarás gradualmente un cambio en las frecuencias de los columpios. Esto se puede utilizar para calcular la diferencia de peso entre los dos niños.
En el caso del experimento pentatrap, esta es la diferencia de masa entre un ion holmio-163 y un ion disprosio-163. Además, cuanto más rápido se balanceen ambos niños, más rápido se obtendrá el resultado, que también es mucho más preciso para el mismo tiempo de observación que con un balanceo lento.
Por esta razón, el equipo eliminó 38, 39 y 40 electrones de los iones "altamente cargados" en tres series diferentes de mediciones, lo que hace que su "baile circular" sea considerablemente más rápido. "Si todo funciona, la medición sólo tardará unas semanas", afirma Schweiger.
A partir de las diferencias de masa como resultado de varias mediciones de frecuencia, vía E =mc 2 Los científicos de Heidelberg finalmente pudieron determinar un valor Q para la captura de electrones que era 50 veces más preciso que antes. "La contribución de los tres grupos teóricos, incluido el grupo de Christoph Keitel del instituto, fue tan importante como nuestra medición", destaca Schweiger.
Además de la diferencia de frecuencia entre los dos iones, en el valor Q determinado influye decisivamente una segunda variable:la energía almacenada en el sistema electrónico restante de un ión altamente cargado. Como un ion tan grande es un sistema de múltiples partículas, el cálculo fue complejo.
Resultó que los cálculos dieron como resultado casi exactamente los mismos valores Q para los tres estados de carga medidos con 38, 39 y 40 electrones eliminados. Esto dejó claro que se podían descartar incertidumbres sistemáticas en experimentos y teorías, enfatiza Schweiger con entusiasmo. ¿Y qué significa esto para las masas de neutrinos?
KATRIN determinó el límite superior más preciso hasta la fecha de la masa del neutrino "pesando" 0,8 electronvoltios por velocidad de la luz al cuadrado, lo que corresponde a unos inimaginables 0,0000000000000000000000000000000000014 kilogramos.
Este orden de magnitud de 10 -36 Corresponde aproximadamente a la relación de peso entre cuatro pasas y el sol. Y ese es sólo un límite superior. El análisis de la distribución de masa estimada en el universo llega incluso a un límite superior significativamente más bajo de las masas de los neutrinos de 0,12 electronvoltios por velocidad de la luz al cuadrado.
"Sin embargo, este análisis es muy complejo y depende del modelo cosmológico utilizado", afirma Schweiger. En cualquier caso, está claro que cualquiera que quiera pesar neutrinos se enfrenta a desafíos extremos al borde de lo técnicamente posible. En este contexto, el resultado de Heidelberg es un gran paso hacia la solución del misterio de las masas de los neutrinos.
Más información: Medición directa con trampa de Penning de alta precisión del valor Q de la captura de electrones en 163Ho para la determinación de la masa del neutrino electrónico, Física de la Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02461-9
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por la Sociedad Max Planck
