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30 de Septiembre de 2019
Física de partículas

El experimento KATRIN consigue acotar la masa del neutrino

El nuevo valor reduce a la mitad el mejor límite obtenido hasta ahora en un experimento de medición directa.

Científicos en el interior del experimento KATRIN, en la ciudad alemana de Karlsruhe. [Instituto de Tecnología de Karlsruhe.]

Los diminutos e invisibles neutrinos son ubicuos, pero resultan casi imposibles de atrapar. Cada fracción de segundo, miles de millones de ellos atraviesan la Tierra y a nosotros mismos sin que nos demos cuenta. Son las partículas de materia más ligeras conocidas; tanto que, durante decenios, los físicos pensaron que su masa era exactamente cero. Pero, por alguna razón que continúa siendo un misterio, no ocurre así.

Aunque hoy los científicos saben que los neutrinos tienen una masa diminuta, ignoran su valor exacto. Ahora, un nuevo experimento concebido para medirla ha hallado que su masa no puede ser mayor de un electronvoltio (eV): unas 500.000 veces menos que la masa del electrón, la siguiente partícula más ligera de todas las conocidas.

El 13 de septiembre se hicieron públicos los primeros resultados del experimento Karlsruhe Tritio Neutrino (KATRIN), que hace poco comenzó a operar en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe, en Alemania. El nuevo límite, basado en tan solo un mes de datos, reduce a la mitad la mejor cota obtenida hasta ahora en un experimento de medición directa.

Existen tres tipos de neutrinos a los que es posible asignar una masa bien definida (cada una de las variantes conocidas como «sabores» es una mezcla de esos tres estados de masa), y la nueva cota se aplica a un promedio de las tres masas. Otros experimentos de física de partículas han determinado que dicho promedio no puede ser inferior a 0,02 eV. «Ahora el neutrino está encajonado», apunta Hamish Robertson, miembro de KATRIN y profesor emérito de física en la Universidad de Washington. «Lo emocionante es que, en solo un mes, hemos demostrado que podemos mejorar lo que sabíamos hasta ahora.»

Calcular la masa de los neutrinos es importante porque, durante largo tiempo, se pensó que estas partículas carecían de masa. Pero en 1998 se descubrió que, aunque diminuta, su masa tenía que ser distinta de cero. «Los neutrinos parecen haber agrietado nuestra comprensión de lo que se suponía que era el modelo estándar», explica Joseph Formaggio, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts y miembro de KATRIN. «Apuntan a la existencia de una teoría más amplia.» Determinar la masa de los neutrinos podría ayudar a explicar por qué la tienen y, tal vez, allanar el camino hacia una teoría física más profunda y que ayude a resolver otros misterios.

KATRIN estudia un proceso radiactivo conocido como desintegración beta. En él, un neutrón se transmuta en un protón y, en el proceso, emite un electrón y un neutrino. El experimento alemán emplea gas de tritio, un isótopo inestable del hidrógeno cuyo núcleo consta de un protón y dos neutrones. Esos neutrones adicionales (el hidrógeno ordinario no tiene ninguno) son propensos a sufrir la desintegración beta. Cuando eso ocurre, el experimento aísla los electrones expulsados y mide su energía. Los neutrinos son demasiado difíciles de atrapar, pero es posible calcular la energía total del electrón y del neutrino. Luego, sustrayendo la energía del electrón, puede deducirse la del neutrino y, a partir de ella, su masa.

Hasta ahora KATRIN no ha generado datos suficientes para obtener un valor definitivo. Pero, según los datos cosmológicos, la verdadera cifra probablemente sea mucho menor que 1 eV. Otra manera de estimar la masa de los neutrinos consiste en estudiar hasta qué punto la atracción gravitatoria de estas partículas afecta a la distribución de galaxias en el universo. «Los límites cosmológicos son complementarios a estos resultados», explica Katherine Freese, física de la Universidad de Michigan que trabaja en modelos astrofísicos para calacular la masa del neutrino y que no ha tomado parte en el nuevo experimento. Un análisis cosmológico reciente dedujo que la masa del neutrino más ligero no podía exceder los 0,086 eV.

«Hay indicios indirectos de que las masas de los neutrinos son menores que la cota obtenida por KATRIN», afirma André de Gouvêa, físico teórico de la Universidad Noroccidental de EE.UU. que tampoco participó en el nuevo trabajo. «Con todo, los indicios indirectos no reemplazan lo que puede hacer KATRIN, por lo que el resultado es en sí mismo muy significativo. Quizá lo más importante sea que KATRIN ha demostrado que las cosas están funcionando y que parecen estar en el camino de llegar mucho más lejos», concluye el investigador.

Clara Moskowitz

Referencia: «An improved upper limit on the neutrino mass from a direct kinematic method by KATRIN»; colaboración KATRIN, arXiv:1909.06048, 13 de septiembre de 2019.

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