Logran pesar a los neutrinos, las partículas subatómicas elementales más difícil de detectar

Un experimento logra determinar la masa de los neutrinos, lo que aporta nueva información sobre la formación del universo

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El neutrino es la partícula más abundante del universo, no tienen carga y su masa es infinitamente pequeña, por lo que medirla es toda una hazaña.

Esta partícula subatómica requiere para detectarla de los aparatos más sensibles jamás construidos, y los científicos han estado trabajando durante décadas en determinar la masa de estos extraños componentes, si es que la misma siquiera existiese.

Recientemente las investigaciones del proyecto Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) en Alemania han revelado el límite máximo de esta masa, lo que nos da nuevas pistas para la comprensión del cosmos, ya que los neutrinos se habrían formado poco después del acontecimiento del Big Bang.

«No tienes muchas oportunidades de medir un parámetro cosmológico que dio forma a la evolución del universo en el laboratorio», dijo a Gizmodo Diana Parno, profesora asistente de investigación en la Universidad Carnegie Mellon y quien trabaja en el experimento.

Según cómo interactúan con otras partículas como los electrones, los muones y los tau, los neutrinos se clasifican en diferentes categorías.

En 1957, el físico Bruno Pontecorvo predijo que los neutrinos oscilarían entre estas tres partículas diferentes, pero que esta oscilación requeriría que la partícula tuviera masa.

Desde entonces, los experimentos han demostrado que existe esta oscilación, un hallazgo que le valió a Arthur B. McDonald y Takaaki Kajita el Premio Nobel 2015.

Los neutrinos tienen varias características que dificultan las mediciones humanas de su masa: por un lado, éstos sólo interactúan con la materia a través de fuerzas nucleares débiles; por otro lado cada partícula de neutrino se compone de una combinación probabilística de tres «estados de masa».

Por estas razones la detección de un neutrino no puede lograrse con sensores comunes y esto exige a la creatividad de los científicos.

El experimento KATRIN comienza con 25 gramos de un tipo de gas de hidrógeno radiactivo, llamado tritio, almacenado en un contenedor a temperaturas criogénicas, lo suficientemente frío como para que incluso el gas de neón sea un líquido.

Estos átomos experimentan una especie de desintegración radiactiva llamada desintegración beta, donde uno de sus neutrones se convierte en un protón, disparando un electrón y un antineutrino electrónico en el proceso (que tendría la misma masa que el neutrino electrónico).

Estos productos de descomposición entran en un detector del tamaño de una casa llamado espectrómetro que mide la energía de los electrones.

El electrón y el neutrino se llevan cada uno parte de la energía de la reacción, pero la cantidad que quitan puede variar.

Los científicos deben observar el espectro de todas las diferentes energías de los electrones, enfocándose particularmente en los electrones que les han quitado la energía máxima, cuyos neutrinos a su vez se habrían llevado la energía mínima.

El análisis de la forma de los gráficos resultantes revela la energía máxima de cualquiera de los estados de masa de neutrinos.

El hecho de que exista una oscilación establece la masa promedio más baja posible de los tres estados de masa, es decir menos de 0.1 electrón voltios (eV).

Después de un mes de operación y 18 años de planificación y construcción, KATRIN ahora ha predicho un límite superior para cualquiera de los tres estados de masa a 1.1 eV, donde un electrón pesa alrededor de 500,000 eV y un protón pesa casi mil millones.Los científicos de KATRIN anunciaron el viernes pasado los resultados en la conferencia Topics in Astroparticle and Underground Physics de 2019 en Toyama, Japón.

La colaboración de KATRIN comenzó en 2001, pero «ha pasado mucho tiempo porque es un experimento realmente complicado», dijo a Gizmodo Hamish Robertson, científico de KATRIN y profesor emérito de física en la Universidad de Washington.La presión y la temperatura de la fuente de gas requieren un control preciso, y hay muchas partes móviles.

Tomó años diseñar y construir el enorme espectrómetro que rechaza los electrones no deseados y mide con precisión las energías de los electrones resultantes.

«Es fractal en algún nivel», dijo Parno. «Si te acercas a cualquier parte del experimento y comienzas a hacerte preguntas, vuelves a tener el mismo nivel de complejidad».

KATRIN es solo una de las formas posibles para calcular la masa de un neutrino, pero sus hallazgos han reducido a la mitad la masa máxima obtenida en otros experimentos.

En un futuro los científicos esperan saber la masa absoluta de los tres estados de los neutrinos y cómo estos se comparan entre sí, lo que permitiría comprender el funcionamiento del universo primigenio, determinar si el neutrino es su propia antipartícula y por qué hay más materia que antimateria en el universo.

«Es un parámetro fundamental», le dijo a Gizmodo Kate Scholberg, profesora de física de la Universidad de Duke que no participó en el estudio.

«Si estás tratando de desarrollar modelos generales de física fundamental, grandes teorías unificadas y ese tipo de cosas, entonces deseas toda la información que puedas, como las masas de todas las partículas».

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