El límite superior más fiable para la masa de los neutrinos electrónicos

Por Francisco R. Villatoro, el 15 septiembre, 2009. Categoría(s): Ciencia • Física • Materia oscura • Physics • Science ✎ 3

Dibujo20090915_electron_neutrino_puppy_www_particlezoo_netLos neutrinos tienen una masa en reposo no nula cuyo valor es extremadamente difícil de medir. Se acaba de publicar el límite  experimental más fiable para la masa del neutrino electrónico, m(ne) < 2 eV con 95% C.L., que ha sido obtenido en experimentos de desintegración beta del tritio. Otros límites previamente publicados presentaban errores sistemáticos demasiado grandes, como discute el nuevo trabajo, que también nos recuerda que la nueva generación de experimentos que estará disponible en un lustro podrá alcanzar una sensibilidad inferior a 0.2 eV. Nos lo cuentan en un interesante y largo artículo E. W. Otten y C. Weinheimar, «Neutrino mass limit from tritium beta decay,» ArXiv, Submitted on 11 Sep 2009.

Los neutrinos (electrónicos) son unas partículas postuladas por Wolfgang Pauli en 1930 para explicar el espectro continuo de la energía de los electrones en la desintegración radioactiva tipo beta. Son partículas neutras muy ligeras, mucho más ligeras que el electrón, originalmente predichas con masa en reposo nula. Descubiertas experimentalmente en 1956 (en realidad se descubrieron los antineutrinos) por Cowans y Reines [3]. Actualmente se conocen 3 tipos de neutrinos asociados a los 3 tipos de electrones, cada uno en cada una de las 3 generaciones de partículas elementales descubiertas experimentalmente.

El Modelo Estándar de partículas elementales se estableció en los 1970 suponiendo que los neutrinos no tienen masa. Sin embargo, el caso de que tuvieran una masa muy pequeña fue también estudiado como posible candidato para la materia oscura caliente, es decir, formada por partículas que se mueven a velocidades ultrarrelativistas (cercanas a la velocidad de la luz). Hoy en día el modelo de materia oscura caliente ha sido descartado en favor de la materia oscura fría (partículas muy masivas que se mueven a velocidades no relativistas).

Se sabe que los neutrinos tienen masa no nula desde 1998, gracias a las observaciones de neutrinos atmosféricos por la instalación japonesa Super-Kamiokande, que observó menos neutrinos electrónicos de los esperados, debido a que durante su trayectoria se transformaron en neutrinos muónicos (la llamada oscilación de los neutrinos que exige que tengan masa en reposo no nula). Este déficit de neutrinos se conocía desde 1968, pero ha sido en los últimos años cuando ha sido definitivamente confirmado (por muchas instalaciones como Gallex, SAGE, SNO, Borexino, KamLAND, MINOS, etc.). Los neutrinos masivos se incorporan al Modelo Estándar de forma muy similar a los quarks utilizando el formalismo de la matriz de Cabbibo-Kobayashi-Maskawa. Los estados electrodébiles de los quarks con masa son una mezcla de sus estados cromodinámicos sin masa gracias a un mecanismo de ruptura de la simetría mediado por el bosón de Higgs.

El problema de la oscilación de los neutrinos es que sólo es sensible a las diferencias entre sus masas y no a sus valores absolutos. Por lo tanto hasta que no se conozca con precisión la masa de al menos un neutrino, no se podrá utilizar este fenómeno para conocer la masa de los demás. ¿Cómo se puede medir la masa de los neutrinos? Hay tres métodos diferentes: (1) mediante observaciones cosmológicas, (2) mediante la desintegración beta doble sin neutrinos, y (3) mediante observación directa de su cinemática en la desintegración beta. Los dos primeros métodos dependen fuertemente del modelo teórico utilizado luego el mejor método es la medida directa por (3). El experimento más utilizado es la desintegración beta del tritio (isótopo del hidrógeno con 3 nucleones, 2 neutrones y un protón), cuyo mejor resultado es m(ne) < 2 eV con 95% C.L., valor obtenido en la Universidad de Mainz y en el Instituto de Investigación Nuclear de Moscú, que ha sido aceptado recientemente por el Particle Data Group.

Estos experimentos son la tercera generación de experimentos similares que se iniciaron en los 1970. Los interesados en la historia de estos experimentos y las dificultades que presentan debido al difícil control de los errores sistemáticos disfrutarán del artículo de Otten y Weinheimar, que además, resume la estado actual de la teoría sobre los neutrinos y anticipa los nuevos experimentos que se desarrollarán en los próximos años.



3 Comentarios

  1. Dices al final del 2º párrafo:
    «Actualmente se conocen 3 tipos de neutrinos asociados a los 3 tipos de electrones»

    ¿Será por cada tipo de leptones? Bueno, la verdad, es que los propios neutrinos se consideran leptones. Pero «3 tipos de electrones» está mal, ¿no?

  2. Isod, los neutrinos y los electrones son leptones. Normalmente se habla de neutrino electrónico, muónico y tauónico. Estos neutrinos son tan diferentes entre sí como lo son los «tres electrones,» el electrón propiamente dicho, el muón y el tauón. Hay un par de leptones por generación uno es un «electrón» y el otro un «neutrino.» Por cieto, el fenómeno de oscilación de neutrinos no se da en los «electrones» y espontáneamente los «electrones» no se convierten los unos en los otros. No está claro por qué unos leptones oscilan entre generaciones y otros no.

    ¿Por qué los neutrinos no tienen nombre propio y los «electrones» sí? Supongo que es una razón histórica. El muón se descubrió mucho antes que los neutrinos, y aunque originalmente se pensó que era un mesón (como el pión) sus propiedades eran las mismas que un electrón pesado. Cuando se descubrió el tauón ya se conocían los neutrinos electrónico y muónico, y se le puso un nombre propio para poder llamar a su neutrino asociado, neutrino tauónico.

  3. Hay ademas otro metodo teorico matematico para medir la masa del neutrino
    que resulta de masa variable , si la ecuacion se confirma sera , otro metodo valido. La ecuacion en la caratula es parte de la demostracion.
    La ecuacion que antecede ha esta es la que permite calcular la masa del neutrino.

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