Los neutrinos de Majorana en el programa Órbita Laika

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Esta figura fue usada para entrenar la red de neuronas de Alcira Gómez, la abuela, en el primer episodio del programa de divulgación Órbita Laika de La 2 (RTVE). La sección “Explícaselo a mi abuela” se dedicó a “Neutrinos y antimateria”. La abuela visitó en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (Huesca) a Juan José Gómez Cadenas, coordinador del proyecto NEXT. Su objetivo es observar la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ) y con ello demostrar que los neutrinos son fermiones de Majorana.

Te recomiendo ver el programa completo en RTVE a la carta, o al menos la sección de la abuela. Las explicaciones de Juanjo son estupendas, no te las pierdas. Además, verás el experimento NEXT-White (o NEW), un detector de demostración con 10 kg de xenón que operará entre 2016 y 2017. Nadie espera que NEW observe la 0νββ, pero nos ayudará a entender mucho mejor el futuro detector NEXT-100, con 100 kg de xenón, que empezará a operar en 2018 o 2019. Varios experimentos compiten con NEXT, como GERDA (Italia), CUORE (Italia), KamLAND-Zen (Japón) y EXO-200 (Nuevo México). Caso de que el neutrino sea de Majorana y NEXT-100 sea de los primeros en tener éxito, nuestro amigo Juanjo se colocará en la alfombra roja hacia un futuro premio Nobel de Física.

Hoy mismo se ha publicado el artículo científico que muestra la figura que Juanjo enseñó a Alcira. En concreto, NEXT Collaboration, “Background rejection in NEXT using deep neural networks,” arXiv:1609.06202 [physics.ins-det].

[PS 22 Sep 2016] Como recomienda César Tomé, @EDocet, en Twitter, un título menos anecdótico para esta entrada podría ser: “El uso de técnicas de aprendizaje profundo en el experimento NEXT”.

[PS 23 Sep 2016] El último resultado de la KamLAND-Zen Collaboration, “Search for Majorana Neutrinos Near the Inverted Mass Hierarchy Region with KamLAND-Zen,” Phys. Rev. Lett. 117: 082503 (16 Aug 2016), doi: 10.1103/PhysRevLett.117.082503, arXiv:1605.02889 [hep-ex], es ahora noticia en Nature gracias a Giorgio Gratta, “Particle physics: Search for neutrinoless double-β decay,” Nature (21 Sep 2016), doi: 10.1038/nature19473; también en Matteo Rini, “Searching for Majorana Neutrinos,” APS Physics, 16 Aug 2016.

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Los núcleos de algunos elementos radiactivos, como el xenón-136, muestran la desintegración doble beta con neutrinos (2νββ), es decir, dos desintegraciones beta simultáneas, (Z, A) → (Z+2, A) + 2e + 2ν. No sabemos si el neutrino es un fermión de Dirac o un fermión de Majorana. En este último caso, lo que ahora llamamos neutrinos y antineutrinos serían dos estados quirales de la misma partícula, el neutrino (antineutrino) actual sería un neutrino de Majorana levógiro (dextrógiro). Más aún, igual que las partículas y las antipartículas se pueden aniquilar, ambos estados del neutrino de Majorana también se podrían aniquilar, resultando la desintegración 0νββ.

En Órbita Laika, Juanjo le da mucha importancia a la neutrinogénesis como origen de la asimetría materia-antimateria. La razón es que esta asimetría exige más violación de la simetría CP de la que presenta el modelo estándar. Un neutrino de Dirac viola poco la simetría CP, porque sólo tiene un ángulo de fase; sin embargo, un neutrino de Majorana viola mucho más la simetría CP, al tener tres ángulos de fase. Por ello, una fuente natural de la asimetría CP que le falta al modelo estándar serían los neutrinos, caso de que fueran partículas de Majorana. Muchos físicos de partículas, así lo creen.

El experimento NEXT, además, podrá determinar la jerarquía de masas de los neutrinos. Los neutrinos electrónico, muónico y tau no tienen masa bien definida, pero se mezclan en estados con masa bien definida, llamados ν1, ν2 y ν3, con masas m1, m2 y m3. No sabemos si la jerarquía es invertida, m3 << m1 < m2, o es normal, m1 < m2 << m3; en el primer caso la vida media de la desintegración 0νββ estará entre 1026 y 1027 años, y en el segundo caso será superior a 1027 años. El mejor límite inferior para esta vida media es 1,06 × 1026 años, obtenido por el experimento KamLAND-Zen que también usa xenón-136.

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El experimento NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC), donde TPC significa cámara de proyección temporal, usa gas xenón-136 ultrapuro a alta presión (15 bares). Los dos electrones emitidos en la desintegración 0νββ se observan en NEXT por una doble técnica, centelleo (S1) y electroluminiscencia (S2). La señal de centelleo se observa en el cátodo, donde se aplica un campo eléctrica de ∼ 0,3 kV/cm, usando fotomultiplicadores (PMTs). La señal de electroluminiscencia se observa en el ánodo, donde se aplica un campo eléctrico de ∼ 20 kV/cm, usando fotomultiplicadores de silicio (SiPMs). En concreto, NEXT-White (NEW) usa 12 PMTs y unos 2000 SiPMs, mientras que NEXT-100 usará 60 PMTs y unos 8000 SiPMs. El experimento NEXT-100 tendrá una sensibilidad a la vida media de la desintegración 0νββ de hasta 6 × 1025 años, es decir, explora el rango de masas para los neutrinos de Majorana de 90 a 180 meV.

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Para la identificación de las señales en los detectores se usan técnicas de aprendizaje profundo basadas en redes de neuronas artificiales multicapa de tipo convolucional (similares a las usadas por AlphaGo para vencer en el Go al coreano Lee Sedol). Estas redes deben ser entrenadas (aprendizaje supervisado) con ejemplos de señales típicas, tanto positivos verdaderos como falsos positivos. Para ello se generan estas señales usando métodos de Montecarlo.

El resultado de las redes de neuronas artificiales permite discriminar con precisión entre candidatos a la desintegración 0νββ y falsos positivos debidos a la contaminación por ruido de fondo. La red clasifica las señales observadas en dos categorías, “signal” (señal) y “background” (ruido). Se ha usado el software GoogLeNet implementado en una red de GPUs de tipo NVidia GeForce. Los resultados son prometedores, aunque aún no son definitivos.

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En resumen, me ha alegrado mucho que el primer programa de la nueva temporada de Órbita Laika destacara el trabajo en Canfranc del experimento NEXT. Y también que la sección “Explícaselo a mi abuela” se iniciara con un tema tan complicado como la física de los neutrinos y la asimetría materia-antimateria. Sin lugar a dudas es una sección que promete y mucho. Lo dicho, si no has visto el programa, ¿a qué esperas?

8 Comentarios

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GerardoGerardo

Entiendo que cuando a partir del vacio se crea materia, debe crearse una cantidad equivalente de antimateria para mantener la conservación de la energia (no se “CREA” energia neta en el proceso).

¿El hecho de que la creación de neutrinos y antineutrinos no sea equilibrada, es decir se creen más neutrinos que antineutrinos no viola el principio de la conservación de la energia?

¿Es más, no deberia el universo tener la misma cantidad de materia y antimateria debido a la conservación de la energia?

Creo que una explicación más “razonable” (o que cabe más fácil en mi ignorancia), es que la antimateria está más allá del universo visible, es decir, está en el universo pero fuera de nuestro alcance

Francisco R. Villatoro

Gerardo, es al revés, “el hecho es que la aniquilación de neutrinos y antineutrinos no es equilibrada” porque su física viola la simetría CP, es decir, su física es diferente para partículas y antipartículas. Busca bariogénesis o asimetría materia-antimateria en este blog para leer más sobre el asunto.

GerardoGerardo

ok, dejame ver si entiendo:
1) a partir del vacio se crean un neutrino y su antineutrino
2) cuando se aniquilan, queda materia
3) resultado: no queda nada más vacio, sino un poco de materia residual

Entiendo que la fisica de la aniquilación de los neutrinos no sea equilibrada, lo que no entiendo es como logra respetar la ley de conservación

Alvaro Verdión MalagambaAlvaro Verdión Malagamba

Hay algo que se me escapa.Si el neutrino, es su propia antiparticula como muchos creen ¿que ocurre cuando colisionan dos neutrinos?
¿se aniquilan, sufren un choque y se desvian?
En el caso de aniquilarse, teniendo en cuenta que los netrinos oscilan entre los diferentes tipos de neutrinos conforme avanzan(electronico,muonico y tau). ¿Un neutrino tau se aniquilaria con uno electronico o deberian coincidir en sabor?

Francisco R. Villatoro

Alvaro, la clave es la quiralidad de los fermiones. Recuerda que el campo electrónico tiene 4 componentes, 2 componentes asociadas al electrón, llamadas L y R, y 2 asociadas al positrón, llamadas L y R. Por cuestiones de simetría en QED, la aniquilación electrón-positrón ocurre entre quiralidades opuestas LR o RL, siendo la amplitud nula para RR y LL. Lo mismo pasa con los neutrinos. Si son de Dirac, el neutrino es L y el antineutrino es R, luego se pueden aniquilar. Si son de Majorana, hay neutrinos L y neutrinos R (ahora llamados antineutrinos), luego también se pueden aniquilar.

En la aniquilación neutrino-antineutrino (o neutrino_L-neutrino_R) no se pueden producir (directamente) fotones, pues los neutrinos no tienen carga eléctrica. Se producen bosones Z, por ello su probabilidad es muy baja. En los experimentos como NEXT no se pueden observar los productos de desintegración de estos bosones Z, luego no se observa nada asociado a la aniquilación de los dos neutrinos de Majorana.

Por supuesto, los neutrinos que se aniquilan tienen que tener el mismo sabor. No es posible que un electrón se aniquile con un antimuón o un antitau, y lo mismo pasa con un neutrino electrónico y neutrino muónico (o tauónico). Corresponden a campos distintos, luego en la misma región del espaciotiempo, aunque son fermiones y actúa el principio de exclusión de Pauli, poseen números cuánticos diferentes y pueden convivir sin ningún problema (como dos fotones de luz; recuerda lo que pasa al cruzar la luz de dos punteros láser).

Espero haber aclarado tus dudas.

gabriela

Ya que recomiendas ver el programa, te digo que o vi, me dejó con gusto a poco porque para empezar, no se por qué le pusieron ese nombre….Si dice ser un programa de ciencia, ¿porqué esa tontería de la teletransportación, del decorado de películas de ficción, de ese personaje inentendible del nert, y de tanto chistecillo localista?

Y me gustaría, ahora, que esa abuela nos explicara lo que vio…

GerardoGerardo

Y por que no? es un programa orientado a hacer la ciencia divertida y relajada, no tiene nada de malo la presentación. No juzgues el perfume por el frasco

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