Dudas sobre las límites actuales a la vida media de la desintegración doble beta sin neutrinos

Dibujo20180519 neutrinoless double-beta decay missing piece figure by J de Vries Nikhef adapted by Physics APS Alan Stonebraker PhysRevLett 120 202001

La desintegración doble beta sin neutrinos (0νββ) es el proceso por el cual dos neutrones en un núcleo se transforman en dos protones emitiendo dos electrones sin ningún neutrino; este proceso requiere la aniquilación mutua de los dos (anti)neutrinos, lo que solo es posible para fermiones de Majorana. Los límites actuales para la semivida de este proceso son T1/2 > 5.3 × 1025 años para 76Ge y T1/2 > 1.07 × 1026 años para 136Xe. Se publica en Physical Review Letters que estos límites podrían estar mal calculados ya que no se ha considerado un nuevo efecto sistemático. La contribución de las contribuciones hadrónicas de corto alcance en el cálculo de la amplitud de probabilidad para los núcleos.

Hasta ahora la amplitud del proceso 0νββ se había calculado usando interacciones efectivas de largo alcance, pues se pensaba que las de corto alcance eran despreciables. Sin embargo, un cálculo de estas últimas interacciones muestra que su efecto sobre la amplitud es comparable al de las primeras. Por desgracia, solo se conoce su orden de magnitudel cálculo es muy complicado y ahora mismo no se conoce su signo. Si los signos coinciden, las contribuciones se sumarían, pero si son opuestos, se restarían. En ambos casos hay que revisar los límites de exclusión actuales y las estimaciones de la semivida del proceso. Habrá que estar al tanto sobre cómo evolucionan estos cálculos en los próximos años.

El artículo es Vincenzo Cirigliano, Wouter Dekens, …, Ubirajara van Kolck, “New Leading Contribution to Neutrinoless Double-β Decay,” Phys. Rev. Lett. 120: 202001 (16 May 2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.120.202001, arXiv:1802.10097 [hep-ph]. Más información divulgativa en Christopher Crockett, “Synopsis: A Missing Piece in the Neutrinoless Beta-Decay Puzzle,” APS Physics, 16 May 2018.

Dibujo20180519 nn to ppee diagrammatic representation lo contributions arxiv 1802 10097

La probabilidad de desintegración de un hadrón (partícula compuesta de quarks y gluones) se calcula usando las llamadas amplitudes hadrónicas, que se calculan mediante una teoría efectiva de la interacción fuerte (cromodinámica cuántica). Estas amplitudes se expanden en función del parámetro p/Λχ, donde p ∼ mπ ∼ kF ∼ O(100 MeV) y Λχ ∼ 4πFπ ∼ mN ∼ O(1 GeV). Siendo este parámetro pequeño, O(0.1), parece razonable calcular la amplitud del proceso 0νββ mediante una teoría de campos efectiva (EFT) que solo tenga en cuenta los efectos de largo alcance; los cálculos actuales alcanzan una precisión de hasta N2LO, es decir, hasta tercer orden, o sea, el orden siguiente (N) al orden siguiente (N) del orden dominante (LO).

Dibujo20180519 rho nu and rho nn for nn to ppee process arxiv 1802 10097

Vincenzo Cirigliano, Laboratorio Nacional de Los Alamos, New Mexico, EE.UU., y sus colegas han estimado la contribución de los efectos hadrónicos de corto alcance usando argumentos basados en la renormalización, usando dos métodos diferentes, la regularización dimensional y el corte (cutoff) en la coordenada espacial. Su estimación (ρNN) indica que, incluso a LO, estos efectos calculados a LO son comparables a los de largo alcance (ρν).

Dibujo20180519 nuclear transitions with A 6 top and A 12 bottom arxiv 1802 10097

En el análisis de los experimentos que buscan observar la desintegración 0νββ se usa la matriz de transición para los núcleos, que depende del núcleo concreto usado. Esta figura muestra resultados para A = 6 y A = 12, mostrando la curva que incluye solo efectos de largo alcance (ρν) y las dos estimaciones obtenidas para los efectos de corto alcance (ρNN). Sin entrar en más detalles de carácter técnico, parece claro que para cortas distancias, entre 0.002 y 0.8 fm, hay que tener en cuenta los nuevos términos en la estimación efectiva de la amplitud de probabilida del proceso.

En resumen, habrá que esperar a que se publiquen cálculos numéricos realizados con QCD en el retículo (lattice QCD). Hasta entonces, lo único relevante es que debemos ser muy cautos con los límites actuales para la semivida del proceso 0νββ. Quizás estos límites cambien, o quizás no, pero parece claro que hay una fuente de error sistemático aún no considerada.


10 Comentarios

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U-95U-95

¿Esto es algo independiente de la desintegración del protón, de modo que a esas escalas de tiempo la materia decaería hasta que solamente hubiera protones (átomos de hidrógeno), que luego puede que decayeran a su vez?

notengoniideanotengoniidea

Francis, ¿si esto se confirma (sume o reste la nueva contribución) qué implicaciones podría tener? cosmológicas, física nueva, etc…

¿Se puede aventurar algo?

Francisco R. Villatoro

Desconocemos casi todas las propiedades de los neutrinos. Por ejemplo, si los neutrinos son de Majorana o de Dirac. Este tipo de experimentos decidirán esta cuestión. Para otras propiedades de los neutrinos hay que recurrir a otros experimentos.

AgusAgus

Sinceramente, no veo nada nuevo, es un compendio de ideas ya publicadas. Sería alucinante leer algún día un estudio o resultado propio, aunque reconocemos todos la labor divulgadora del autor de la web.

Francisco R. Villatoro

Agus, en este blog no hablo de mis investigaciones, lo siento. ¿De verdad te interesa lo que investigo? En este blog ofrezco mi visión sobre noticias recientes que me llaman la atención.

PacoPaco

A mi la verdad es que me entra curiosidad por saberlo, por puro marujeo supongo xD.

Pero supongo que si nunca hablas de ello, será porque no quieres. Aunque alguna vez dejas caer entre líneas por dónde puede ir.

Francisco R. Villatoro

Paco, estoy escribiendo un paper con un doctorando. Cuando esté enviado a revista, lo publicaremos en arXiv y hablaré de él en este blog; pero no esperes nada revolucionario, más bien un aporte más a la literatura técnica sobre matemáticas computacionales.

PacoPaco

Sé que no todo es revolucionario. La ciencia no revolucionaria también es muy importante.
Los pequeños pasos en un futuro pueden llevar a grandes saltos, de la misma persona o de otra que llegue posteriormente.

Estaré encantado de leerlo.

Un saludo y gracias.

GeorgesGeorges

“La desintegración doble beta sin neutrinos (0νββ) es el proceso por el cual dos neutrones en un núcleo se transforman en dos protones emitiendo dos electrones sin ningún neutrino; este proceso requiere la aniquilación mutua de los dos (anti)neutrinos…“.

No hay necesidad de considerar la creación de dos anti-neutrinos que se aniquilan mutuamente. Basta con considerar que los espines de los dos protones conservan la misma orientación que el de los dos neutrones originarios y que el espín de los dos electrones emitidos estén anti-paralelos de modo a lograr la conservación del espín total. La emisión de anti-neutrinos es necesaria tan solo en el caso de la desintegración de neutrones por separado, para la conservación del espín, pero en el caso de desintegración por pares de neutrones resulta innecesaria.

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