KATRIN y la medida de la masa del neutrino

Por Francisco R. Villatoro, el 10 febrero, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Historia • Noticia CPAN • Physics • Science ✎ 7

Dibujo20140210 Katrin tritium experiment

Tienes que leer la última entrada de Jorge S. Díaz (@RTFM_ ), “La masa del neutrino: una crisis y el futuro,” Conexión Casual, 09 Feb 2014. Derrocha pasión, como siempre que nos habla de los neutrinos. Jorge nos relata la historia de la determinación experimental de la masa de los neutrinos. Pronto Jorge será postdoc en KATRIN, el experimento que se espera que determine un límite inferior a la masa de los neutrinos (si no lo logra antes el telescopio espacial Planck con los datos que publique en junio de 2014). Para abrir boca, permíteme un resumen breve de la entrada de Jorge.

Dibujo20140210 LLNL experiment - 1995 - PRL

Emil Konopinski probó en 1947 que la desintegración beta del tritio puede usarse para determinar un límite superior a la masa del neutrino [1]. No se mide la masa del neutrino, sino su cuadrado (m²). En los 1980, los experimentos en la universidad alemana de Mainz y en el laboratorio ruso de física nuclear en Troitsk obtuvieron un valor negativo m²<0, como si el neutrino fuese un taquión. El Laboratorio Livermore (LLNL) en California repitió el experimento y en octubre de 1995 publicó que m² = −130 ± 20 eV², un valor negativo con una significancia de más de 6σ (recuerda que por convenio 5σ es requisito para un descubrimiento) [2]. No hubo revuelo mediático como pasó con los neutrinos superlumínicos de OPERA en 2011. La crisis se limitó a la comunidad de expertos. Muchas ideas exóticas fueron inventadas para intentar explicar la anomalía. El supervisor de la tesis doctoral de Jorge, Alan Kostelecky, ya había publicado la posibilidad de que el neutrino podría ser un taquión cuando era postdoc en Los Alamos en 1985 [3].

Dibujo20140210 Mainz data comparison - 94 data - 98-99 data - 2001 data

La mejora de las mediciones, incorporando varios efectos muy pequeños que no habían sido considerados, en particular pequeñas modificaciones producidas por las vibraciones del helio-3, hizo que el resultado anómalo desapareciera. Con el tiempo, los experimentos de Mainz y Troitsk también observaron que el valor negativo del cuadrado de la masa del neutrino se acercaba a cero (dentro del margen de error). El consenso actual es que las vibraciones de las moléculas de helio-3 fueron la causa de las señales erróneas en los detectores. Mainz presentó su análisis final en 2005 [4], m² = −0,6 ± 2,2 (stat) ± 2,1 (syst) eV², un resultado compatible con cero (el límite superior a la masa fue de m ≤ 2,3 eV al 95% C.L.). Troitsk presentó su análisis final en 2011 [5], m² = −0,67 ± 2,53 eV², un resultado compatible con Mainz (el límite superior obtenido fue de m < 2,2 eV al 95% C.L.). Todo indica que los neutrinos no son taquiones.

Dibujo20140210 katrin during its travel by Leopoldshafen village

Un límite inferior para la masa del neutrino sigue aún sin medirse. Todos los experimentos han logrado sólo una cota superior. Los equipos de Mainz y Troitsk, así como físicos de otros países, han colaborado en un nuevo experimento llamado KATRIN (Karlsruher Tritium Neutrino experiment) situado en el laboratorio del Karlsruher Institut für Technologie (KIT) en Alemania, donde se encuentra la única fuente de tritio de alta pureza de todo el mundo. KATRIN es un coloso de 70 metros de largo, incluyendo la longitud de la fuente de tritio; el espectrómetro principal tiene 10 metros de diámetro y 23 metros de largo. En la actualidad KATRIN se encuentra tomando datos para calibrar sus instrumentos y se espera que comience a recolectar datos científicos en los próximos meses.

Determinar la masa de los neutrinos es uno de los problemas más importantes en física de partículas y muchos ojos están puestos en KATRIN. En unas semanas, Jorge S. Díaz  partirá para Karlsruhe, donde ocupará una plaza postdoctoral en el instituto donde se encuentra KATRIN. Desde allí nos informará puntualmente de los descubrimientos que se realicen (cuando lo permita el embargo interno de la colaboración). Este año será sin lugar a dudas apasionante para la física de los neutrinos.

Referencias.

[1] Emil J. Konopinski, “H3 and the Mass of the Neutrino,” Phys. Rev. 72: 518-519, 1947.

[2] Wolfgang Stoeffl, Daniel J. Decman, “Anomalous Structure in the Beta Decay of Gaseous Molecular Tritium,” Phys. Rev. Lett. 75: 3237-3240, 1995.

[3] Alan Chodos, Avi I. Hauser, V. Alan Kostelecky, “The neutrino as a tachyon,” Physics Letters B 150: 431-435, 1985.  [PDF preprint].

[4] Ch. Kraus et al., “Final results from phase II of the Mainz neutrino mass search in tritium beta decay,” Eur. Phys. J. C 40: 447-468, 2005; [hep-ex/0412056].

[5] Troitsk Collaboration, “An upper limit on electron antineutrino mass from Troitsk experiment,” Phys. Rev. D 84 : 112003, 2011arXiv:1108.5034 [hep-ex].



7 Comentarios

  1. Tengo curiosidad por saber si finalmente se encontró alguna razon para que experimentos anteriores tambien midiesen una masa imaginaria para los neutrinos: la vibracion del helio-3 solo es aplicable a uno de los experimentos, no a otros que creo que utilizaban tecnicas de medicion distintas.

    1. Michael, debido a la pequeña masa del neutrino tienes que distinguir en el diagrama de Kurie (en inglés, Kurie plot) cómo se acerca una curva a cero. Cuando se mide algo que tiene que ser cero siempre se obtiene un valor pequeño o positivo o negativo, nunca se obtiene cero; eso sí, el intervalo de error es mayor que el valor positivo o negativo medido. ¿En qué punto cae exactamente a cero? La elección no es fácil e introduce un sesgo. Eso es lo que pasó en los experimentos anteriores, todos con un gran error (no hay que buscarle cinco pies al gato).

      Más información (en inglés): http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/physics/research/epp/exp/detrd/amber/neutrinomass/

  2. Sólo quería agradecer la referencia a mi artículo. Me ha alegrado muchos recibir muchos comentarios sobre el sentimiento que transmite. Es un agrado transmitir el cariño que le tengo a estos “pequeños neutros”.
    Un saludo.

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