¿Cómo se puede probar que los neutrinos son fermiones de Dirac?

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El teorema de la “caja negra” de Schechter–Valle afirma que observar la desintegración beta doble sin neutrinos (0ν2β) prueba que al menos uno de los neutrinos es un fermión de Majorana (por la navaja de Ockham los demás también). Pero no observarla no implica que sean femiones de Dirac (podrían ser de Majorana si la 0ν2β está muy suprimida por alguna razón). Un nuevo teorema de “caja negra” afirma que no observar 0ν2β, si se observa la desintegración beta cuádruple sin neutrinos (0ν4β), prueba que al menos uno de los neutrinos es un fermión de Dirac (y por ende los demás gracias a Ockham). Un gran resultado de José W. F. Valle (IFIC, CSIC/UV, España) y dos colegas. Por supuesto, hay otro camino para decidir que los neutrinos son de Majorana o de Dirac, la determinación directa de su masa (con detectores como KATRIN).

El artículo es Martin Hirsch, Rahul Srivastava, José W. F. Valle, “Can one ever prove that neutrinos are Dirac particles?” arXiv:1711.06181 [hep-ph]. Me he enterado gracias a un tuit de J. W. F. Valle @jwvalle, a quien animo a seguir (si te interesan los neutrinos). La búsqueda de la desintegración 0ν4β ya ha sido iniciada por la Colaboración NEMO-3, “Search for neutrinoless quadruple-β decay of 150Nd with the NEMO-3 detector,” Phys. Rev. Lett. 119: 041801 (2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.119.041801, arXiv:1705.08847 [hep-ex].

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El grupo gauge del modelo estándar SU(3)C ⊗ SU(2)L ⊗ U(1) está rota de forma espontánea en SU(3)C ⊗ U(1)EM. Los fermiones con carga eléctrica o con hipercarga de color deben ser fermiones de Dirac (ya que un término de masa rompe la simetría SU(3)C ⊗ U(1)EM). Sin embargo, los fermiones neutros (como los neutrinos) pueden ser fermiones de Majorana sin romper dicha simetría. La gran ventaja de los fermiones de Majorana es que presentan tres fases CP, en contra de los fermiones de Dirac que solo presentan una fase CP; gracias a ello, los Majorana ofrecen una fuente adicional de asimetría CP que puede ser responsable de la asimetría primordial entre materia y antimateria. Por ello muchos físicos prefieren que los neutrinos sean fermiones de Majorana.

La señal observacional más clara de la naturaleza de Majorana de los neutrinos es la desintegración 0ν2β, permitida gracias a que no hay diferencia entre neutrinos y antineutrinos (que pasarían a ser dos estados de quiralidad opuesta de la misma partícula). Por supuesto, observar esta desintegración garantiza que al menos un neutrino es de Majorana según el teorema de la “caja negra” (“Black Box” theorem). Pero no observarla podría ser causado por que su probabilidad es muy baja debido a alguna causa (se suele decir que la desintegración está suprimida).

La demostración de Valle y sus colegas se basa en el uso de una teoría efectiva para estudiar todas las posibles extensiones del modelo estándar que pueden afectar a las desintegraciones 0ν2nβ, con n=1 y 2. Por supuesto, además de fermiones de Dirac y fermiones de Majorana, los neutrinos podrían ser fermiones cuasi-Dirac (un par de fermiones de Majorana con masa muy similar, pero no idéntica); sin embargo, este último caso requiere un ajuste fino tan grande que es detestado por la mayoría de los físicos teóricos.


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