La medida más precisa jamás nos acerca a conocer la verdadera masa de la partícula ‘fantasma’: ScienceAlert

La masa en reposo de neutrinos fantasmales es una de las cantidades más buscadas en física de partículas y los científicos están un paso más cerca de determinar con precisión, gracias a un nuevo experimento dirigido por investigadores del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Alemania.

Si se conociera la masa de los neutrinos, se podría abrir la puerta a la física más allá del ámbito del Modelo Estándar de física de partículas, que describe todas las fuerzas y partículas elementales conocidas en el Universo.

Decir que los neutrinos son extraños es quedarse corto. Una vez se sugirió que no tenía masa alguna, ahora está claro que esta partícula apenas existente es en realidad tres tipos en uno, con identidades que oscilan en una extraña confusión cuántica a medida que viajan por el espacio. Esta identidad parpadeante implica masa, que también viene en diferentes formasmanchado sobre la forma cambiante del neutrino.

Al ser tan ligeros y extraños, es posible que los neutrinos no sigan las mismas reglas que otras partículas. Sumar con precisión la mancha de sus masas increíblemente pequeñas puede incluso ayudar a confirmar y descartar nuevos modelos en física de partículas.

Sin embargo, los físicos no pueden simplemente pesar racimos de neutrinos estacionarios como uvas sobre una balanza. En cambio, sólo pueden confirmar la presencia de tales partículas subatómicas observando sus interacciones con otras partículas o midiendo los productos de su desintegración. Una partícula puede estar presente sólo durante un breve momento, pero en ese tiempo deja su marca o rastro a partir del cual los físicos pueden inferir su masa.

Sin embargo, sin carga y prácticamente sin atracción gravitacional, los neutrinos ejercen sólo una fuerza muy débil sobre otras partículas. De hecho, miles de millones de neutrinos están atravesando su cuerpo en este momento, la mayoría en ruta desde el Sol, pero rara vez interactúan con nosotros.

Sin embargo, el hecho de que tengan tan poca influencia sobre otras partículas subatómicas no significa que los neutrinos no sean una parte fundamental de lo que constituye la materia. ellos son los partículas más abundantes que tienen masa en el Universo, y saber qué da a esas variaciones de neutrino masas en reposo tan pequeñas y distintas de cero podría ayudar a los físicos a resolver o comprender algunas de las contradicciones en el Modelo Estándar que los neutrinos presentan en la forma en que oscilan.

Los físicos han estado refinando constantemente sus mejores estimaciones de los límites superiores de las masas individuales y colectivas de los neutrinos utilizando diversos métodos. La medición más precisa hasta ahora de un “sabor” llamado neutrino electrónico encontró que no podía ser más de 0,8 electronvoltios. Traduciendo eso a masa relativa a 1 kilogramo (o 2,2 libras), es como el peso de cuatro pasas en comparación con el Sol.

Fijada en febrero de 2022, la última estimación fue producida por el Experimento Tritio Neutrino de Karlsruhe (katrina) en Alemania, deducido de la pulverización de electrones y neutrinos liberados cuando una forma superpesada de desintegración del hidrógeno.

Otra forma de determinar la masa de un neutrino, por pequeña que sea, es estudiar qué sucede cuando el núcleo atómico de un isótopo artificial de holmio-163 absorbe un electrón de su capa más interna. Como resultado, un protón se convierte en un neutrón, se produce el elemento disprosio-163 y se libera un neutrino.

Luego, los físicos pueden medir la energía total liberada en esta desintegración usando una especie de calorímetro e inferir la masa del neutrino “perdido” que voló hacia el éter basándose en la masa total del átomo y la famosa ecuación de Einstein, E = mc2, donde masa y energía son equivalentes.

Esto se calcula como lo que se llama valor Q: una diferencia de energía que puede traducirse en la masa ‘que falta’ de la suma total de partículas atómicas después de una reacción de desintegración. Esa diferencia de masa se interpreta como el neutrino.

Sin embargo, los átomos de oro en los que está incrustado el holmio-163 podrían influir en esta reacción de descomposición, explica Christoph Schweiger, físico del Instituto Max Planck de Física Nuclear y autor principal del nuevo estudio.

“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”, afirma. dice.

Para ello, Schweiger y sus colegas pusieron en marcha un experimento que combinó cinco de los llamados Trampas de encerramientoapilados uno encima del otro dentro de un imán superconductor colocado en el vacío y sumergido en helio líquido a unos 4 grados Kelvin (-269,1°C o -452,5°F).

La PENTATRAP consta de cinco trampas Penning apiladas una encima de la otra, como se ve en la torre amarilla central. (MPI para Física Nuclear)

Todo ese esfuerzo ayuda a proteger el equipo para que sea lo suficientemente sensible como para atrapar partículas en sus trampas Penning y medir las sutiles diferencias de energía entre los iones cargados de holmio-163 y disprosio-163.

“En un Airbus A-380 con carga máxima se podría utilizar esta sensibilidad para determinar si ha caído encima una sola gota de agua”, explica Schweiger. dice.

En realidad, los investigadores midieron los iones de holmio-163 entrantes y los iones de disprosio-163 resultantes para obtener un valor Q de 2.863,2 ± 0,6 eV c-2, que es 50 veces más preciso que un esfuerzo anterior que llegó a un valor de 2.833 ± 34 eV c-2.

Utilizar un valor Q más preciso y medido de forma independiente junto con otros resultados experimentales “es vital para la evaluación de incertidumbres sistemáticas en la determinación de la masa de neutrinos”, afirman Schweiger y sus colegas. escribir en su artículo publicado.

Aunque es sólo una pieza del rompecabezas, la precisión mejorada en medidas como Q se puede combinar con una amplia variedad de enfoques para comprender por qué los extraños y relucientes fantasmas del mundo de las partículas se comportan como los poltergeists que son.

El estudio ha sido publicado en Física de la naturaleza.

2024-04-23 05:42:55
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