Peso de partículas fantasma | Noticias de espejismo

En la década de 1930, quedó claro que ni el equilibrio de energía ni el de momento son correctos en la desintegración beta radiactiva de un núcleo atómico. Esto llevó a la postulación de “partículas fantasma” que transportan “secretamente” energía e impulso. En 1956, finalmente se obtuvo evidencia experimental de tales neutrinos. El desafío: los neutrinos interactúan con otras partículas de materia solo a través de la interacción débil que también subyace a la desintegración beta de los núcleos atómicos. Por eso, cientos de billones de neutrinos procedentes del universo, 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 mediante detectores masivos.

Los neutrinos solares han aportado otro descubrimiento revolucionario: 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 coherente con el Modelo Estándar de física de partículas, que es la mejor descripción del mundo de las partículas hasta la fecha. Sin embargo, las oscilaciones impusieron una masa en reposo para los neutrinos, otra indicación de que debe existir nueva física fuera del Modelo Estándar.

Por tanto, conocer la masa exacta en reposo del neutrino abriría la puerta al desconocido mundo de la nueva física. Desafortunadamente, no se puede simplemente poner un neutrino en una escala. Esto requiere experimentos muy complejos sobre procesos físicos técnicamente accesibles con neutrinos. “Una forma es la desintegración beta del tritio”, explica Christoph Schweiger, estudiante de doctorado en el departamento Klaus Blom del Instituto Max Planck de Física Nuclear. Aquí, uno de los neutrones del hidrógeno superpesado se desintegra en un protón y libera un electrón y un neutrino, convirtiendo así el átomo en helio más ligero. Este proceso fue «pesado» por la experiencia de Catherine 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 recoge un electrón de la capa electrónica interna, donde un protón se convierte en un neutrón, creando el elemento disprosio-163. Esto también provoca, entre otras cosas, la liberación de neutrinos. La colaboración internacional ECHo, en la que participan científicos de Heidelberg, intenta medir este proceso de descomposición de forma sólida y con extrema precisión. Según la ecuación de Einstein E = mc2, la masa y la energía son equivalentes, por lo que la medida de la energía puede equipararse al peso de las masas. Como «calorímetro», ECHo mide con mucha precisión la energía total liberada en esta desintegración: esto corresponde al valor máximo de Q menos la masa restante del neutrino liberado. Para ello, el isótopo holmio-163 se incrusta en una capa de átomos de oro.

“Sin embargo, estos átomos de oro pueden afectar al holmio-163”, explica Schweiger. “Por eso es importante medir el valor Q con la mayor precisión posible mediante un método alternativo y compararlo con el valor determinado por calorimetría para obtenerlo. detección de fuentes de error.” Aquí entran en juego el experimento del pentagrama de Heidelberg y la tesis doctoral de Schweiger. El Pentatrap consta de cinco trampas de Penning. En estas trampas, los átomos cargados eléctricamente pueden ser capturados en una combinación de campos eléctricos y magnéticos estáticos. Estos iones realizan una compleja “danza circular” que permite determinar sus masas con extrema precisión. “Con un Airbus A-380 con carga útil máxima, se puede utilizar esta sensibilidad para determinar si ha caído sobre él una sola gota de agua”, explica el físico las capacidades de este supermedidor.

En principio, la trampa de escritura funciona como un balancín. 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, gradualmente notarás 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 del pentagrama, esta es la diferencia de masa entre el ion holmio-163 y el ion disprosio-163. Además, cuanto más rápido se balanceen ambos bebés, más rápido se obtendrá el resultado, que también es más preciso para el mismo tiempo de observación en comparación con el balanceo lento. Por esta razón, el equipo eliminó 38, 39 y 40 electrones de los iones «altamente cargados» en tres series diferentes de mediciones, haciendo que su «danza circular» fuera mucho más rápida. «Si todo funciona, la medición sólo tardará unas semanas», afirma Schweiger.

Gracias a las diferencias de masa debidas a diferentes mediciones de frecuencia, E = mc2, 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 Kittel aquí en el instituto, fue tan importante como nuestras mediciones”, subraya Schweiger. Además de la diferencia de frecuencia entre los dos iones, hay una segunda variable que tiene un impacto significativo en el valor Q específico: la energía almacenada en el sistema electrónico restante del ion altamente cargado. Dado que este gran ion es un sistema de múltiples partículas, el cálculo fue igualmente complejo. Resulta que los cálculos arrojaron casi los mismos valores Q para los tres estados de carga medidos con 38, 39 y 40 electrones eliminados. Esto demostró que se pueden eliminar las incertidumbres metodológicas en los experimentos y en la teoría, afirma con entusiasmo Schweiger. ¿Qué significa esto para las masas de neutrinos?

Catherine determinó el límite superior más preciso hasta la fecha de la masa del neutrino “pesándolo” a 0,8 electronvoltios por velocidad de la luz al cuadrado, lo que equivale a unos inimaginables 0,0000000000000000000000000000014 kilogramos. Esta disposición de 10 a 36 corresponde aproximadamente a la proporción de peso entre cuatro pasas y el sol. Este es sólo el límite superior. Incluso un análisis de la distribución general de la masa en el universo alcanza un límite superior mucho más bajo para la masa del neutrino de 0,12 electronvoltios por cuadrado de la velocidad de la luz. «Sin embargo, este análisis es muy complejo y depende del modelo cosmológico utilizado», afirma Schweiger. Sin embargo, está claro que cualquiera que quiera pesar neutrinos se enfrenta a enormes desafíos 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.

(Roland Wingenmayer/MPIK)