Límite sin precedentes a la masa del neutrino
Un experimento internacional ha limitado la masa de los neutrinos con una precisión sin precedentes, hasta determinar que son más ligeros que 0,8 electronvoltios.
KArlsruhe TRItium Neutrino (Katrin), ubicado en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), ha roto una importante "barrera" en la física de neutrinos que es relevante tanto para la física de partículas como para la cosmología. Sobre la base de nuevos datos, se ha obtenido un nuevo límite superior de 0,8 electronvoltios (eV) para la masa del neutrino. Este primer impulso a la escala de masa sub-eV de neutrinos mediante un método de laboratorio independiente del modelo permite a Katrin restringir la masa de estos pesos ligeros del universo con una precisión sin precedentes.
Los neutrinos son posiblemente la partícula elemental más fascinante de nuestro universo. En cosmología juegan un papel importante en la formación de estructuras a gran escala, mientras que en la física de partículas su masa diminuta pero distinta de cero los distingue, apuntando a nuevos fenómenos físicos más allá de nuestras teorías actuales. Sin una medición de la escala de masa de los neutrinos, nuestra comprensión del universo seguirá siendo incompleta.
Este es el desafío que ha asumido el experimento internacional Katrin en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) con socios de seis países como la escala más sensible del mundo para los neutrinos. Hace uso de la desintegración beta del tritio, un isótopo de hidrógeno inestable, para determinar la masa del neutrino a través de la distribución de energía de los electrones liberados en el proceso de desintegración. Esto requiere un gran esfuerzo tecnológico: el experimento de 70 metros de largo alberga la fuente de tritio más intensa del mundo, así como un espectrómetro gigante para medir la energía de los electrones de desintegración con una precisión sin precedentes.
La alta calidad de los datos después de comenzar las mediciones científicas en 2019 se ha mejorado continuamente durante los últimos dos años. "Katrin es un experimento con los más altos requisitos tecnológicos y ahora funciona como un reloj perfecto", dice en un comunicado Guido Drexlin (KIT), líder del proyecto y uno de los dos co-portavoces del experimento. Christian Weinheimer (Universidad de Münster), el otro coportavoz, añade que "el aumento de la tasa de señal y la reducción de la tasa de fondo fueron decisivos para el nuevo resultado".
El análisis en profundidad de estos datos exigió todo del equipo de análisis internacional liderado por sus dos coordinadores, Susanne Mertens (Instituto Max Planck de Física y TU Munich) y Magnus Schlösser (KIT). "Solo mediante este laborioso y complejo método pudimos excluir un sesgo sistemático de nuestro resultado debido a procesos distorsionadores. Estamos particularmente orgullosos de nuestro equipo de análisis que asumió con éxito este enorme desafío con gran compromiso", declararon con satisfacción los dos coordinadores de análisis.
Los datos experimentales del primer año de mediciones y el modelo basado en una masa de neutrino extremadamente pequeña coinciden perfectamente: a partir de esto, se puede determinar un nuevo límite superior para la masa de neutrino de 0,8 electronvoltios. Esta es la primera vez que un experimento directo de masas de neutrinos ha entrado en el rango de masas sub-eV cosmológicamente y físicamente importante para las partículas, donde se sospecha que se encuentra la escala de masa fundamental de los neutrinos.
Los coportavoces y coordinadores de análisis de Katrin son muy optimistas sobre el futuro: "Se continuarán realizando más mediciones de la masa de neutrinos hasta finales de 2024. Para aprovechar todo el potencial de este experimento único, no solo aumentaremos constantemente las estadísticas de eventos de señal, estamos continuamente desarrollando e instalando mejoras para reducir aún más la tasa de fondo".
El desarrollo de un nuevo sistema detector (Tristan) juega un papel específico en esto, permitiendo a Katrin a partir de 2025 embarcarse en la búsqueda de neutrinos estériles con masas en el rango de kiloelectronvoltios, un candidato a la misteriosa materia oscura en el cosmos que ha ya se manifestó en muchas observaciones astrofísicas y cosmológicas, pero cuya naturaleza física de partículas aún se desconoce.
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