27 de Julio de 2021
Física de partículas

En busca de las partículas de Majorana

Varios experimentos en todo el mundo intentan detectar una hipotética desintegración nuclear que podría explicar el desequilibrio entre la abundancia de materia y antimateria.

Interior del detector del experimento SNO+, que se desarrolla en Canadá y trata de registrar un tipo hipotético de desintegración radiactiva conocida como «doble β sin neutrinos». Si tiene éxito, eso implicará que el neutrino y el antineutrino son en realidad la misma partícula. [SNOLAB

Es bien sabido que el físico italiano Ettore Majorana desapareció en 1938 sin dejar rastro. Sus partículas elementales favoritas, los neutrinos, podrían ser capaces de esfumarse de manera similar. En todo el mundo, varios experimentos nuevos o mejorados tratan de demostrar que una clase de desintegración nuclear extremadamente rara que, por lo general, produce dos neutrinos, en ocasiones podría no generar ninguno.

Esos experimentos han recibido menos fondos o atención que los esfuerzos por detectar la materia oscura, pero su impacto en la física podría ser igual de importante. Y es que la desaparición de esas partículas sugeriría que los neutrinos y los antineutrinos (sus homólogos de antimateria) en realidad son la misma partícula, una posibilidad que planteó Majorana por primera vez en la década de 1930.

Dichos «neutrinos de Majorana» podrían ser la clave para entender por qué el universo parece contener muy poca antimateria. Además, demostrarían que, a diferencia del resto de partículas conocidas (como los electrones o los quarks), los neutrinos no obtienen su masa del bosón de Higgs.

Los físicos llevan decenios buscando esa desaparición de los neutrinos, pero ahora los intentos se están intensificando de forma espectacular. Eso significa que «hay una oportunidad realmente buena» de detectarla con la próxima generación de instrumentos, según Michelle Dolinski, física experimental de la Universidad Drexel.

Los experimentos que ya están en marcha o se están construyendo en Japón, Corea del Sur, Italia, Canadá y Estados Unidos son un orden de magnitud más sensibles que la generación anterior, y los futuros detectores previstos supondrían una mejora de otros dos órdenes de magnitud.

En 2015, un comité asesor del Departamento de Energía de EE.UU. identificó esta búsqueda como prioritaria, y se espera un compromiso inminente para financiar un experimento que buscará los neutrinos de Majorana (y cuyo coste se estima en unos 250 millones de dólares).

 

EXPERIMENTOS EN TODO EL MUNDO
Numerosos equipos emplean diversos métodos para intentar hallar pruebas de la desintegración doble β sin neutrinos y demostrar la existencia de las partículas de Majorana.
EXPERIMENTO UBICACIÓN ESTADO
Centelleador de neutrinos
KamLAND-Zen 800 Japón Activo
SNO+ Canadá Puesta en marcha
Xenón líquido
EXO-200 EE.UU. Concluido
nEXO Canadá Propuesto
LZ EE.UU. Puesta en marcha (principalmente detector de materia oscura)
XENON-nT Italia Puesta en marcha (principalmente detector de materia oscura)
Estado sólido
CUORE/CUPID Italia Activo/previsto
GERDA Italia Concluido
MAJORANA EE.UU. Concluido
LEGEND-200 Italia A partir de 2021
AMORE Corea del Sur Previsto
LEGEND-1000 Italia Propuesto

 

Una larga espera

Los neutrinos o antineutrinos se crean siempre que un protón de un núcleo atómico inestable se convierte en un neutrón, o viceversa. Este proceso, llamado desintegración β, también produce un electrón o su antipartícula, los cuales se conocen conjuntamente como partículas β.

La nóbel de física Maria Goeppert-Mayer predijo en 1935 que ciertos núcleos atómicos podían desintegrarse convirtiendo dos de sus neutrones en protones (o viceversa) a la vez, con la emisión de dos partículas β. Esta «doble desintegración β» también debería producir dos neutrinos o antineutrinos.

El cálculo de Goeppert-Mayer resultó ser correcto, pero ese tipo de desintegración es extremadamente rara: un caso, la transformación del telurio-128 en xenón-128, tiene una vida media de más de 1024 años (un cuatrillón de años), la más larga que se conoce para cualquier reacción nuclear.

Cuatro años después del artículo de Goeppert-Mayer, el físico Wendell Furry señaló que si Majorana tenía razón y los neutrinos eran sus propias antipartículas, los dos neutrinos emitidos por un núcleo que experimentase una doble desintegración β a veces deberían aniquilarse entre sí, por lo que el núcleo solo emitiría electrones.

Los experimentos que investigan la existencia de los neutrinos de Majorana intentan detectar esta doble desintegración β sin neutrinos. La idea es muy sencilla: tomar un trozo de material que pueda sufrir el proceso y observarlo durante el mayor tiempo posible para ver si emite dos electrones con una cantidad de energía específica.

Pero esa reacción sin neutrinos, si existe, sería la desintegración nuclear más lenta conocida: al menos dos órdenes de magnitud más infrecuente que la doble desintegración β ordinaria. El mejor resultado hasta la fecha —obtenido por el Conjunto de Detectores de Germanio (GERDA), un experimento realizado en el laboratorio subterráneo del Gran Sasso, en Italia— muestra que el germanio-76, un candidato a sufrir este proceso, debe tener una vida media de más de 1,8 × 1026 años. Es decir, unos 10.000 billones de veces la edad del universo.

<span>Interior del experimento GERDA, en el laboratorio del Gran Sasso. Las instalaciones se reutilizarán en el experimento LEGEND-200, que comenzará este año. [</span><a href="https://gallery.lngs.infn.it/en/gallery/gerda/interior-of-the-experiment/" target="_blank">Kai Freund/LNGS-INFN</a><span>]</span>

Cuando los experimentos que estudian desintegraciones radiactivas raras aumentan su potencia o simplemente acumulan muchos datos, suele ocurrir una de estas dos cosas: o bien observan finalmente la reacción que buscaban, o bien elevan el umbral mínimo de su vida media. Por tanto, la capacidad de establecer límites para la vida media constituye una medida de la sensibilidad de un experimento.

Los experimentos que se están poniendo en marcha o se encuentran en fase de planificación pretenden ser unas 100 veces más eficaces que GERDA, lo que llevaría el límite de la vida media a 1028 años o más.

Corazón frío

Una estrategia habitual para aumentar la sensibilidad es reducir el «ruido de fondo», en particular las impurezas radiactivas en los detectores o alrededor de ellos, que podrían producir señales falsas parecidas a las de un par de electrones con la firma del neutrino de Majorana.

Algunos equipos han hecho enormes esfuerzos por eliminar esas impurezas. «Si cogemos un poco de tierra, puede tener un nivel de radiactividad de una parte por millón; nuestros materiales suelen tener una parte por trillón», expone Dolinski. La investigadora es portavoz del Observatorio de Xenón Enriquecido (EXO-200), un experimento recién concluido que buscaba neutrinos de Majorana en la Planta Piloto para el Aislamiento de Residuos de Nuevo México.

Otro experimento realizado en el Gran Sasso, el Observatorio Criogénico Subterráneo de Eventos Raros (CUORE), mantiene el núcleo de su detector a una temperatura de 0,01 kelvin, lo que ayuda a distinguir las distintas señales; se ha descrito como el «metro cúbico más frío del universo». CUORE protege su detector de telurio con 4 toneladas de antiguo plomo romano recuperado de un naufragio, un material que presenta niveles especialmente bajos de radiactividad.

Detalle del detector del experimento CUORE, formado por 19 torres de cristales de TeO<sub>2</sub> (988 cristales en total). [<a href="https://gallery.lngs.infn.it/en/gallery/cuore/internal-view-of-cuore/" target="_blank"><span>Yura Suvorov/LNGS-INFN</span></a>]

De todos los experimentos existentes, GERDA es el que ha tenido más éxito a la hora de reducir el ruido de fondo: durante su década de operaciones, no ha observado casi ningún evento que imite la firma del neutrino de Majorana. El aspecto crucial es que el detector de germanio está inmerso en un tanque de argón líquido a unos 85 kelvin. Según Riccardo Brugnera, físico de la Universidad de Padua y portavoz del experimento, el argón cumple una triple función: mantiene el germanio frío, lo blinda frente a la radiación externa y actúa como detector para descartar las señales de cualquier radiación que pudiera alcanzar el núcleo.

El experimento GERDA se desmanteló el año pasado, y su equipo se unió a la colaboración MAJORANA, liderada por Estados Unidos, que pretende construir un detector más grande: LEGEND-200, que empleará 200 kilogramos de germanio-76. Actualmente está en fase de construcción en el laboratorio del Gran Sasso y se prevé que empiece a tomar datos en noviembre. Cuanto más grande sea el detector, mayores son las probabilidades de ver una desintegración. «Se necesita una gran masa, o habría que esperar siglos», apunta Brugnera.

Otros experimentos han alcanzado sensibilidades similares a la de GERDA gracias al gran tamaño del detector. En los laboratorios subterráneos de Japón y Canadá, los físicos han reutilizado enormes detectores construidos originalmente para registrar neutrinos. El experimento KamLAND-Zen 800 de Japón usa unos 750 kilogramos de xenón-136, y el SNO+ de Canadá contará con 1300 kilogramos de telurio-130. Ambos buscan la luz que produce una partícula energética cuando atraviesa un tanque con cientos de toneladas de aceite mineral.

La carrera por la financiación

El experimento EXO-200 de Dolinski, que empleaba 200 kilogramos de xenón-136 líquido, exploró una estrategia distinta. El xenón actúa a la vez como isótopo candidato a la doble desintegración sin neutrinos y como medio que revela la presencia de los electrones. Las búsquedas más exhaustivas de la materia oscura se han realizado con detectores de xenón similares, ajustados para captar partículas procedentes del espacio.

Con un coste inferior a 15 millones de dólares, EXO-200 «se construyó lejos de los focos, huyendo de la burocracia», afirma Giorgio Gratta, físico de la Universidad Stanford que ayudó a concebirlo a principios de la década de 2000. Gratta confía en que la esperada financiación del Departamento de Energía de EE.UU. se destine a una versión mucho más ambiciosa llamada nEXO, que dispondrá de 5 toneladas de xenón y podría costar del orden de 250 millones de dólares.

Entre quienes compiten con nEXO por el premio gordo se encuentra el equipo de LEGEND-200, que ha redactado una propuesta para ampliar su experimento a otro denominado LEGEND-1000, con 1 tonelada de germanio-76.

Los físicos afirman que es crucial contar con una variedad de grandes detectores. El primer indicio de una doble desintegración β sin neutrinos aparecerá como un pequeño pico en los datos, y otros experimentos tendrán que verificar los resultados. «Lo primero que habría que hacer es confirmarlos con un isótopo diferente», señala Carlo Bucci, físico en el laboratorio del Gran Sasso y portavoz de CUORE.

Sin embargo, no hay garantía de que ninguno de esos experimentos llegue a demostrar que los neutrinos son partículas de Majorana. Los principales modelos teóricos predicen que deberían serlo, pero esos modelos se basan en parte en conjeturas sobre las masas de los neutrinos. Aun así, la mayoría de los físicos creen que no es una cuestión de si lo demostrarán sino de cuándo lo harán. Y entonces se resolverá al menos una de las desapariciones relacionadas con Ettore Majorana.

 

PREGUNTAS QUE SE PODRÍAN RESPONDER SI LOS NEUTRINOS SON PARTÍCULAS DE MAJORANA
El hecho de que los neutrinos fueran simultáneamente materia y antimateria podría ayudar a responder una serie de cuestiones importantes de la física fundamental. Dos de ellas son las siguientes:
1. ¿Dónde fue a parar toda la antimateria?
Si los neutrinos son partículas de Majorana, eso podría ayudar a explicar por qué el universo contiene una cantidad mucho mayor de materia que de antimateria. La gran explosión debería haber creado cantidades iguales de las dos. Sin embargo, dada la asimetría actual, parece obvio que la materia tuvo una probabilidad ligeramente mayor de sobrevivir a las reacciones entre las partículas subatómicas presentes en la sopa caliente primordial. La gran pregunta es por qué. La doble desintegración β ordinaria produce dos electrones y dos antineutrinos, de modo que no altera el equilibrio ente partículas y antipartículas. Pero una doble desintegración β sin neutrinos produciría solo dos electrones, lo que supondría un incremento relativo del número de partículas del universo.
2. ¿De dónde sale la masa de los neutrinos y cuánto vale?
En el modelo estándar de la física de partículas, formulado en la década de 1970, los quarks y los electrones obtienen su masa gracias al bosón de Higgs, y los neutrinos tienen masa cero. En los años noventa, los físicos descubrieron que los neutrinos sí poseen masa, aunque su valor no se conoce con exactitud. Si los neutrinos fueran partículas de Majorana, su masa se originaría a partir de un mecanismo distinto al del bosón de Higgs. Además, medir la frecuencia de las dobles desintegraciones sin neutrinos permitiría determinar indirectamente la masa de los antineutrinos (y, por lo tanto, de los neutrinos), ya que cuanto más masivas son las partículas, más probable es que se aniquilen entre sí.

 

Davide Castelvecchi/Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Los boletines de Investigación y Ciencia

Elige qué contenidos quieres recibir.