Neutrino Mass Mystery se encoge con los últimos resultados de Katrin

Los físicos están más cerca que nunca a resolver el rompecabezas de la masa del neutrino fantasmal

Por Gayoung Lee editado por Lee Billings

El neutrino es un notorio alborotador en el mundo de la física de partículas. Este Partícula pequeña y esquiva Sin embargo, no hay carga eléctrica impregna cada esquina del universo, pero sería difícil saberlo sin instrumentos extremadamente especializados. Los billones de ti pasan a través de ti cada segundo, de hecho, todo sin interactuar con un solo átomo de tu cuerpo. Esa es una de las razones por las cuales, por algo tan supuestamente abundante y fundamental, sabemos dolorosamente poco sobre el neutrino, ni siquiera algo tan básico como su masa.

Pero la física de los neutrinos podría estar al borde de un avance experimental: los físicos con el experimento Karlsruhe Tritium Neutrino (Katrin) en Alemania han logrado medir el límite superior de la masa del neutrino a solo 0.45 voltios electrónicos (EV), que es menos de una millonésima parte de la masa de un electrón. Estos resultados, publicados la semana pasada en Cienciarepresentan solo una fracción de las investigaciones de Katrin; Alrededor de las tres cuartas partes de los datos planificados del detector de su campaña en curso de 1,000 días quedan por analizar y revelar.

Otra razón para la emoción es que Katrin ha logrado un doble aumento de la sensibilidad desde el año pasado, cuando Algunos investigadores plantearon preguntas En cuanto a si el experimento incluso podría avanzar en la búsqueda de décadas de los físicos para medir la masa del neutrino. Y el equipo de Katrin tiene la intención de impulsar el detector aún más Alexey Lokhovcoautor del nuevo estudio y físico experimental en el Instituto de Tecnología Karlsruhe en Alemania. Al concluir la campaña de Katrin, dice, la sensibilidad del detector está dirigida a una masa de neutrinos de gama baja de 0.3 eV, otro impulso significativo.

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Con sus ojos en ese premio, para esta ronda particular de análisis de datos, Lokhov y sus colegas, incluido el coautor Christoph Wiesinger, realizaron varias revisiones técnicas para mejorar significativamente las capacidades del instrumento. “A finales de este año, tendremos esta nueva y realmente grande parte de datos para ver”, dice Wiesinger, físico de la Universidad Técnica de Munich, Alemania. “Ahora Katrin está en una configuración más estable y cercana [so] Estoy muy seguro de que manejaremos esto [sensitivity boost] en los próximos años “.

El Katrina El experimento comenzó a operar en 2019. Busca restringir la masa del neutrino al observar el espectro de energía de electrones y antineutrinos de electrones emitidos por tritio en descomposición, un isótopo radiactivo de hidrógeno. Como se detalla en el nuevo artículo, durante los primeros 259 días del experimento, la katrina realizó mediciones de energía de aproximadamente 36 millones de electrones. Desde el espectro de energía de estos electrones, los físicos pudieron inferir la masa del neutrino identificando lo que parece ser una “distorsión” en el espectro de energía de los electrones, explica Lokhov. “El truco es que para producir un neutrino en este proceso de descomposición, uno necesita al menos producir una masa que una masa pequeña y distinta de cero [that] influiría en la cantidad de energía [would be] Izquierda para los electrones “. Y esa energía “sobrante”, dice, insinuaría la presencia de algo más, el neutrino, presente en el proceso de descomposición.

Para ser claros, Katrin todavía no bloqueado en un valor absoluto para la masa de neutrinos, no se supone que debe hacerlo. Pero ese puede ser más el producto de la rareza innata del neutrino en lugar de cualquier representación de las deficiencias de Katrin. La masa del neutrino es una cantera particularmente escurridiza porque se niega obstinadamente a cumplir con los principios del Modelo estándar de física de partículas. Famoso, casi todas las predicciones de esta teoría se han confirmado experimentalmente, sin embargo, algunos de sus pronósticos para el neutrino han caído notoriamente. El modelo predice que los neutrinos deben estar completamente sin masas, pero esto fue finalmente refutado por un Experimento ganador de Nobel que mostró neutrinos no solo tener misa pero también, por cualquier razón, cambiar masa oscilando entre tres variedades de neutrinos diferentes, o “sabores”.

“Sabes, cuando todo está resuelto y todos estamos felices, [neutrinos] son como esa persona en la habitación que dice, no, no del todo “, reflexiona Carlos Argüelles Delgadofísico de la Universidad de Harvard, que no está afiliado a Katrin.

Pero la naturaleza problemática del neutrino es precisamente por qué los físicos están tan enamorados de él; La pequeña partícula, dicen los teóricos, debe ser un rebelde con Una causa, con una explicación más profunda y fundamental de sus peculiaridades que podrían abrir vastas nuevas reinos de física más allá de los límites cada vez más suaves del modelo estándar. Y los resultados como los de Katrin son parte de un flujo constante de teórico y avances experimentales Llevándonos incrementalmente más cerca de esos avances tan esperados.

“Hay un negocio complicado aquí porque los neutrinos son superposiciones de los estados masivos, tienen tres, y lo que [KATRIN] muestra que esta combinación de masa no puede ser mayor que 0.45 eV ”, dice Argüelles Delgado. Ahora, con la larga campaña del experimento que concluirá a fines de este año, el reloj se está marcando hacia una cuenta regresiva final. El tiempo se está agotando para aumentar aún más su sensibilidad y ajustar su acaricia en torno a este subatómico de Slippery. capaz de medirlo ”, explica Georgia Karagiorgiun físico de partículas en la Universidad de Columbia, que no forma parte del equipo de investigación.

Dicho esto, Katrin probablemente será el último de su tipo, dice Argüelles Delgado, señalando los rendimientos decrecientes asociados con la ampliación de tales experimentos. Las principales inversiones para hacer experimentos más grandes y de mayor duración corren el riesgo de entregar avances marginales, lo cual es una razón más por la cual los costos hundidos de Katrin y el éxito continuo ahora requieren urgencia. “Dadas las proyecciones de Katrin, está claro que los datos adicionales ayudarán a llegar a [the researchers’] Sensibilidad objetivo, por lo que absolutamente necesitan ejecutarla ahora ”, dice Karagiorgi.

Si Katrin logra su sensibilidad más alta prevista, este experimento en particular terminará, pero la esperanza es que los instrumentos futuros podrán continuar su misión prestando atención a lo que los físicos han aprendido de Katrin. A pesar de su fin, los datos serán un tesoro que los físicos extraerán para los descubrimientos durante muchos años. Después de todo, la mayor búsqueda para medir la masa del neutrino es, sin duda, un maratón.

“Los neutrinos son tan esquivos que, bueno, necesitas estos grandes detectores o tecnologías muy, muy sofisticadas”, dice Wiesinger. “Pero aunque ese sea el [neutrino’s] La misa es tan pequeña, esperamos hoy que solo haya tantos [of them]tienen una gran influencia en el cosmos, cómo se están formando estructuras y cómo evolucionan ”.

Es fascinante darse cuenta de que una partícula tan infinitesimal y rebelde puede tener efectos tan profundos en las escalas subatómicas y cósmicas, y que puede estudiarse de manera robusta en los laboratorios terrestres.

“Los neutrinos son portales únicos para nuevos descubrimientos en física: siempre fueron así desde el principio, cuando fueron postulados por primera vez”, dice Lokhov. “E incluso ahora, todavía están trayendo algunos descubrimientos nuevos y emocionantes que [further] nuestra comprensión de la naturaleza “.