Dos noticias negativas sobre neutrinos, de GERDA y Daya Bay

Dibujo20170406 GERDA Modell web

GERDA publica en Nature que su Fase II no ha observado la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ). Su cota mínima a la vida media de este proceso es comparable a la de otros experimentos. Por otro lado, Daya Bay descarta que un neutrino estéril sea la causa de la anomalía de los antineutrinos de reactores nucleares. La diferencia entre los antineutrinos observados debidos al U-235, U-238, Pu-239, y Pu-241 indica que la causa de la anomalía es un error sistemático en el modelo de Huber que estima los antineutrinos producidos por la fisión del U-235.

La de GERDA es una de cal y otra de arena para el español Juan José Gómez Cadenas y su proyecto NEXT en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. La buena noticia es que GERDA augura que incluso un resultado negativo de NEXT se podría publicar en Nature. La mala noticia es que GERDA ha limitado la vida media del proceso 0νββ a T > 5,3 × 1025 años al 90% CL, cuando NEXT-100 pretendía lograr para el año 2020 un límite menor o igual a T > 6 × 1025 años. Muy cerca, tres años antes. Los españoles tendremos que esperar al futuro BEXT (se iniciará en 2020) para soñar con un Nobel en este campo.

Los artículos son The GERDA Collaboration, “Background-free search for neutrinoless double-β decay of 76Ge with GERDA,” Nature 544: 47–52 (06 Apr 2017), doi: 10.1038/nature21717, arXiv:1703.00570 [nucl-ex]; más divulgación en Phillip S. Barbeau, “Particle physics: The search for no neutrinos,” Nature 544, 38–39 (06 April 2017) doi: 10.1038/544038a. Y por otro lado, The Daya Bay Collaboration, “Evolution of the Reactor Antineutrino Flux and Spectrum at Daya Bay,” Phys. Rev. Lett. (submitted), arXiv:1704.01082 [physics.ins-det].

[PS 07 Abr 2017] Sobre el futuro de recomiendo Thomas Brunner, Lindley Winslow, “Searching for 0νββ decay in Xe-136. Towards the tonne-scale and beyond,” arXiv:1704.01528 [hep-ex].

Dibujo20170406 GERDA Frequentist hypothesis test nature21717-sf5

La verdad, nunca pensé que un resultado negativo como el de GERDA (Germanium Detector Array) en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso (LNGS), Italia, se publicara en Nature. Máxime cuando lo único positivo del resultado es que se ha logrado un fondo muy limpio en la Phase II (más de lo esperado según las estimaciones tras la Phase I que se publicó en 2013). El futuro está en manos de otros proyectos, como el italiano CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events), el estadounidense EXO (Enriched Xenon Observatory), el japonés KamLAND-Zen y, como no, el español NEXT-100 ( Neutrino Experiment with a Xenon TPC).

Dibujo20170406 GERDA Phase II experimental set-up nature21717-sf1.jpg

Le recuerdo a los despistados que no sabemos si los neutrinos son partículas de Dirac o de Majorana, y que en este último caso los neutrinos y los antineutrinos serían dos estados quirales de la misma partícula; por tanto, sería posible la aniquilización de dos neutrinos producidos en la desintegración beta doble, (A,Z)→(A,Z+2)+2e, y por tanto el proceso 0νββ sin emisión de ningún neutrino (si fueran partículas de Dirac solo sería posible el proceso 2νββ, con emisión de dos neutrinos). La desintegración beta doble se produce en pocos isótopos (germanio-76, telurio-130 y xenón-136), luego solo estos isótopos tienen potencial para la observación del proceso 0νββ.

Dibujo20170406 The Germanium Detector Array (GERDA) technology 544038a-f1

GERDA busca el proceso 0νββ usando Ge-76 (quisiera destacar que su tecnología está inspirada en el experimento IGEX, International Germanium Experiment, en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, España). A diferencia de NEXT, que usa Xe-136 como fuente y como detector del proceso 0νββ, en GERDA la fuente es Ge-76, pero la detección se realiza con argón líquido. GERDA ha logrado en 2017 (tras un espléndido nuevo límite para la vida media del proceso 0νββ, casi comparable al que NEXT podrá lograr en 2020.

Dibujo20170406 daya bay 239-Pu and effective fission fractions arxiv 1704 01082

Por otro lado, también le recuerdo a los despistados que “la anomalía de los antineutrinos en reactores nucleares”, LCMF 29 Feb 2016, corresponde a un defecto de ~6% en el número de antineutrinos con energía de unos 5 MeV observados en los detectores de neutrinos que observan reactores nucleares de fisión, como Double Chooz, Reno y Daya Bay. Como ya dije en este blog, aunque algunos físicos han sugerido que la explicación es la existencia de un neutrino estéril y, por tanto, nueva física más allá del modelo estándar, mi opinión era que todo apunta a que el origen de esta anomalía es el modelo teórico de Huber usado para describir las desintegraciones beta en la fisión nuclear en el reactor.

Dibujo20170406 daya bay combined measurement 239-Pu 235-U arxiv 1704 01082

El nuevo resultado de Daya Bay ha estudiado cómo varían los antineutrinos producidos por los isótopos fisibles U-235, U-238, Pu-239 y Pu-241 entre los años 2012 y 2015. El modelo teórico de los antineutrinos producidos por un reactor es muy complicado (hay que tener en cuenta miles de desintegraciones beta de diferente tipo). El modelo teórico estándar se basa en considerar las desintegraciones más relevantes de los cuatro isótopos más abundantes. Daya Bay ha logrado separar las contribuciones de estos isótopos y ha observado que la anomalía de antineutrinos entre el U-235 y el Pu-239 es diferente y apunta a que la predicción del modelo de Huber para el U-235 es incorrecta (a unas 3 sigmas). Por tanto, la causa más razonable de la anomalía de los antineutrinos es una estimación errónea de la contribución del U-235.

Por supuesto, tanto el resultado de Daya Bay como el de GERDA tendrán que ser confirmados de forma independiente por otros experimentos. Pero lo importante es que los neutrinos vuelven a ser protagonistas de las noticias de esta semana.


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