Cuándo sabremos la jerarquía de masas de los neutrinos

Dibujo20150702 neutrino mass hierarchy - normal vs inverted

La oscilación de los neutrinos nos permite conocer la diferencia entre los cuadrados de las masas de los neutrinos tipo 1, 2 y 3. Sin embargo, no es fácil determinar los signos, con lo que no sabemos si la jerarquía de masas es normal (el neutrino 3 es el más masivo) o invertida (el neutrino 3 es el menos masivo). ¿Cuándo lo sabremos? Todo indica que habrá que esperar a 2020, como pronto, para alcanzar 3 sigmas (NOvA+T2K) y a 2025 para alcanzar 5 sigmas (DUNE+PINGU).

Nos lo cuenta R. B. Patterson, “Prospects for measurement of the neutrino mass hierarchy,” Annual Review of Nuclear and Particle Science 65 (2015), arXiv:1506.07917 [hep-ex].

Gracias a Jorge S. Díaz @jsdiaz en Twitter he hecho pequeñas correcciones. ¡Gracias!

Dibujo20150702 prospects measuring neutrino mass hierarchy - normal vs inverted

Esta tabla muestra los experimentos en curso y los propuestos para un futuro cercano. Te recuerdo que los estados con sabor de los neutrinos νe, νµ, y ντ no tienen masa definida y que los estados con masa de los neutrinos se llaman ν1, ν2, y ν3. La relación entre ambos tipos de estado viene dada por la matriz de mezcla de etados llamada PMNS (más información en este blog en “Los ángulos asociados a los quarks y a los neutrinos en las matrices CKM y PMNS,” LCMF, 25 Jun 2012).

Gracias a los neutrinos “solares” (debidos a sus reacciones nucleares) se realizó la primera medida del valor de ∆m221 y gracias a los “atmosféricos” (debidos a colisiones de rayos cósmicos) se calculó que el valor de ∆m232 era unas 30 veces más grande (los valores actuales se indican en la figura que abre esta entrada). No sabemos si la jerarquía de masas es normal (NH) o invertida (IH), pero conocemos con cierta precisión los valores de los ángulos de mezcla de los estados con sabor en los estados masivos, sean θ12, θ13, y θ23 (más información en este blog en “La oscilación de los neutrinos,” LCMF, 05 Jun 2012).

Dibujo20150702 t2k nova dune - measuring neutrino mass hierarchy - normal vs inverted

Hay muchos experimentos en curso que nos permitirán discernir el tipo de jerarquía. Los experimentos con haces de neutrinos (νµ) producidos en aceleradores de partículas con detectores situados a cientos o miles de kilómetros nos permiten determinar la jerarquía porque influye en cómo se afecta el paso de estos neutrinos por la materia de la corteza terrestre en la probabilidad P(νµ → νe). Los tres más importantes son el experimento T2K entre J-PARC (Tokai) y Super-Kamiokande (Kamioka), Japón, 295 km, el experimento NOνA entre NuMI (Fermilab, Batavia, Illinois) y Soudan (Minnesota), EEUU, 810 km, y el futuro experimento DUNE entre Fermilab (Illinois) y Sanford (Dakota del Sur) en EEUU, 1300 km.

En 2013, T2K observó la oscilación νµ → νe con 7,3 σ con el 10% de los datos que se espera obtener, pero será insuficiente para desvelar la jerarquía de masas. NOνA ha empezado a funcionar en 2014 y alrededor de 2020 podrá determinar la jerarquía con entre 2 y 3 σ. El futuro experimento DUNE debería empezar a tomar datos alrededor de 2025, si todo va bien.

Dibujo20150702 pingu - icecube

Para la detección de neutrinos atmosféricos mediante radiación Cherenkov con capacidad de aportar datos sobre el signo de ∆m232 y con él determinar la jerarquía de masas se han propuesto los experimentos PINGU, ORCA, y Hyper-K. PINGU (Precision IceCube Next Generation Upgrade) será la extensión de IceCube en el Polo Sur. ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) será la extensión de KM3NeT en el Mar Mediterráneo. Finalmente, Hyper-K será la extensión de Super-Kamiokande en Japón. Estos experimentos están propuestos y no empezarán a tomar datos antes de 2025 o, con más seguridad, 2030.

El detector ICAL@INO (India-based Neutrino Observatory) debería empezar a tomar datos en 2018, aunque quizás se retrase hasta 2020. Otros experimentos basados en reactores nucleares como fuentes de neutrinos, como KamLAND, Daya Bay, RENO, y Double Chooz también pueden ser la base de futuros detectores que desvelen la jerarquía de masas. Ahora mismo están propuestos JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), China, unas veinte veces KamLAND, que podría iniciar su operación en 2020, y RENO-50 (Reactor Experiment for Neutrino Oscillation), Corea del Sur, unas mil veces RENO, que podría empezar a operar en 2021. Mientras tanto también se podrán usar datos cosmológicos, pero entre 2018 y 2022 sus resultados serán pobres; habrá que esperar a 2025 como pronto.

En resumen, a todos nos gustaría saber cuanto antes si la jerarquía de masas de los neutrinos es normal o invertida, pero todo apunta a que no lo sabremos antes de 2020 y en su caso con poca confianza estadística. Hasta dentro de diez años, salvo que haya una inesperada sorpresa, seguiremos duplicando todos los análisis sobre la oscilación de los neutrinos, presentando la figura para jerarquía normal junto a la figura para jerarquía invertida. La física de los neutrinos es así, requiere paciencia.


3 Comentarios

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JavierJavier

Si no recuerdo mal, que de esto hace mucho, no es “el cuadrado de la diferencia entre las masas de los neutrinos” lo que aparece en las probabilidades de conversión, sino la diferencia de cuadrados. Lo que pasa es que la fórmula no depende del signo de esta diferencia.

NovatoNovato

Me encantan sus artículos, es de los pocos que se meten de verdad en el temario, y no dan vueltas para no tratarlo a fondo.

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