Cómo sabremos si el neutrino es un fermión de Majorana o de Dirac

Dibujo20150702 neutrinoless double beta decay - feynman diagram scheme - wikipedia common

El Premio Nobel de 2015 al descubrimiento de la existencia de masa para los neutrinos ha llevado a muchos a afirmar que se trata de física más allá del modelo estándar. Hay que tener cuidado. El modelo estándar es una teoría fenomenológica que describe las propiedades conocidas de los neutrinos; cuando se pensaba que no tenían masa, se incorporaban como partículas sin masa; ahora que sabemos que tienen masa se incorporan como partículas con masa. Stricto sensu, la masa de los neutrinos no es física más allá del modelo estándar. Ahora bien, como no sabemos si los neutrinos son partículas de Majorana o de Dirac, aún no sabemos cómo incorporar de forma definitiva la masa de los neutrinos. Hay dos posibilidades (como mínimo) y no sabemos cuál es la correcta.

La desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ) permite decidir si el neutrino es un fermión de Majorana o de Dirac. Si es de Majorana se podrán aniquilar mutuamente dos neutrinos (ya que el neutrino y el antineutrino serán la misma partícula). Si es de Dirac, como solo hemos observado neutrinos levógiros, deben existir neutrinos dextrógiros de gran masa aún no observados. ¿Pero qué pasa si nunca observamos la desintegración 0νββ? Los experimentos de oscilación de neutrinos nos permitirán saber si la jerarquía de masas de los neutrinos es normal o invertida. En cada caso hay un límite teórico para la vida media de la desintegración 0νββ. Gracias a ello, si no se observa este fenómeno, también podremos decidir entre Majorana y Dirac.

La desintegración 0νββ de un núcleo atómico es (A, Z) → (A, Z+2) + 2 e, que viola la conservación del número leptónico en dos unidades, ofrece un mecanismo para dar masa a los neutrinos, para explicar la asimetría entre materia y antimateria, además de ser una predicción genérica de las teorías supersimétricas. Muchos físicos opinan que los neutrinos deben ser fermiones de Majorana porque permiten matar varios pájaros con el mismo tiro. Quizás la Naturaleza les dé la razón. O quizás no.

Nos presentan la situación actual Heinrich Päs, Werner Rodejohann, “Neutrinoless Double Beta Decay,” arXiv:1507.00170 [hep-ph], y Shao-Feng Ge, Werner Rodejohann, “JUNO and Neutrinoless Double Beta Decay,” arXiv:1507.05514 [hep-ph].

Dibujo20150702 present - future - experiments - neutrinoless double beta decay

Hay muchos experimentos en curso o que se iniciaran en un futuro no muy lejano cuyo objetivo es observar la desintegración 0νββ, para determinar si los neutrinos son de Majorana o de Dirac, y si su jerarquía de masas es normal o invertida. Los experimentos que estudian la oscilación de los neutrinos pueden determinar el orden de la jerarquía de masas. Si estos experimentos demuestran que la jerarquía es invertida, podremos determinar la vida media del neutrino y si los experimentos de 0νββ no observan esta desintegración sabremos que los neutrinos son partículas de Dirac.

Siendo un fenómeno muy raro, una alternativa es acotar la masa de los neutrinos con un límite inferior y un límite superior (esta acotación difiere si son partículas de Majorana o de Dirac); este camino lo siguen los experimentos KATRIN, Project 8, ECHo y MARE, así como las observaciones cosmológicas. Pero todavía no hemos logrado un límite inferior para la masa de los neutrinos.

Dibujo20151010 lifetime neutrinoless double beta decay for xenon - arxiv

La vida media de la desintegración doble beta de los neutrinos depende del material de detección (esta figura es para el xenón) y de si la jerarquía de masas es normal (NH) o invertida (IH). Combinando un límite para la masa de los neutrinos con un límite para la vida media de este proceso podremos determinar si los neutrinos son de Majorana o de Dirac incluso si no observamos dicho proceso. Salvo sorpresas, lo sabremos entre 2020 y 2025. Para algunos una década es mucho tiempo. Pero hemos de ser pacientes.



10 Comentarios

  1. Una duda: que yo sepa, en la desintegración beta menos se emite un antineutrino, mientras que en la beta más se emite un neutrino. ¿Cómo se hace esa distinción si no saben si son o no la misma partícula? Es decir, tendrá que haber alguna diferencia en sus propiedades para que se haga esa distinción ¿no? Gracias por tu labor de divulgación de la física de vanguardia.

    1. M.I. se llama antineutrino al neutrino observado de quiralidad derecha y neutrino al de quiralidad izquierda. Si los neutrinos son de Majorana, el antineutrino y el neutrino son la misma partícula, una partícula con dos estados de quiralidad, derecha e izquierda. Si los neutrinos son de Dirac, existe un antineutrino de quiralidad izquierda y un neutrino de quiralidad derecha que no han sido observados aún, quizás porque son estériles o porque tienen una gran masa (mucho mayor que la mitad de la masa del bosón Z).

      1. ¿Pero por qué el dextrógiro es el neutrino y el levógiro el antineutrino? De la misma forma que hay electrones levógiros y dextrógiros, ¿no podrían haberse llamado simplemente neutrino levógiro y neutrino dextrógiro? ¿Qué les llevó al inicio a clasificar a uno como neutrino “normal” y al otro como antineutrino?

        1. M.I. si los neutrinos no tuvieran masa (como se pensaba hace 20 años), hay una diferencia entre un neutrino y un antineutrino: en una desintegración de un bosón W(menos) en un electrón y un “neutrino”, debe ser una partícula de quiralidad derecha (antineutrino), y de un bosón W(más) en un positrón y un “neutrino”, debe ser una partícula de quiralidad izquierda (neutrino). El lagrangiano del modelo estándar así lo exige (por la invariancia CPT):

          https://francis.naukas.com/files/2015/10/Dibujo20151012-weak-boson-decay-standard-model-lagrangianSin-titulo.png

          1. Podrias explicar que es un lagrangiano a alguien sin formacion matemática?

            Gracias anticipadas

            Josep Lluís

  2. Francis, cuando dices “(…)Pero todavía no hemos logrado un límite inferior para la masa de los neutrinos(…)”, no eres preciso. De hecho deberías decir límite inferior NO nulo. Porque de los experimentos con neutrinos solares, atmosféricos y de reactores (o de haces de neutrinos), sabemos efectivamente que hay dos diferencias de masa para los autoestados de masa de los neutrinos…Eso solamente es posible si AL MENOS, uno de los estados es masivo. ¿Qué quiero decir con esto? Algo bastante tonto, que es que uno de los estados de flavor, combinación lineal o “rotación” de los autoestados de masa tenga masa nula… No hay ningún experimento que prohíba que uno de los neutrinos sea massless… Estrictamente hablando, la cota mínima para la masa del neutrino es CERO, que es la que impone la relatividad especial (a no ser que nos embarquemos en esas cosas tan raras que son los neutrinos taquiónicos y que nadie serio, yo entre ellos-no años atrás, quiere ver en pintura) para un fermión. Ahora bien, explotando las diferencias de masa conocidas y próximos experimentos, creo que será muy interesante saber si la escala ABSOLUTA de masa del neutrino es la que da esencialmente las diferencias de las oscilaciones….Del orden del “meV” y que, extrañamente coincide hoy día con la escala actual de la densidad de Energía Oscura…$latex \rho_\Lambda \sim (meV)^4$.

  3. http://cdn.iopscience.com/images/0034-4885/76/5/056201/Full/rpp302729f01_online.jpg

    Creo que tú mismo habías puesto algo así alguna vez:

    https://francis.naukas.com/files/2010/09/dibujo20100918_normal_inverted_mass_hierarchy_in_3-neutrino_picture.png?w=584

    Uno de los aspectos más misteriosos del modelo estándar es que parece no tener interés en fermiones “massless”… El único que queda y puede serlo es el neutrino, pero con el descubrimiento de las oscilaciones, se deja poco espacio para su “bosonidad fermiónica”…Si el neutrino es Dirac o Majorana (y yo siempre he adorado más esta última opción), creo quedan pocas opciones para un autoestado fermiónico de masa cero, …Aunque la Naturaleza podría sorprendernos. Una pregunta que me hice recientemente fue…¿Qué consecuencias físicas interesantes podría tener que uno de los autoestados del neutrino tuviera masa cero?¿No sería peligroso por una sobreproducción de neutrinos como lo es de axiones en el Universo temprano? No sé suficiente aún sobre neutrinos…

  4. Creo que lo mejor sería que los neutrinos fueran de Majorana: muchas teorías “beyond SM” predicen su existencia y aportan nuevas formas de explicar el problema de la antimateria y el de la masa de los neutrinos. Por otra parte que una partícula neutra se aniquile a si misma es algo nunca visto antes. Por otro lado la existencia de neutrinos estériles ha sido infructuosa hasta la fecha y parece que los últimos resultados de Planck no favorecen su existencia. Si los neutrinos “normales” ya son “entes fantasmales” los estériles ya están casi al borde de la no existencia ya que ni siquiera “sienten” la fuerza débil, estos neutrinos son imposibles de detectar de forma directa. Si no hay nuevas generaciones de neutrinos tendríamos 3 generaciones de leptones y 3 generaciones de quarks. ¿Porque 3? Una respuesta común es que se necesita al menos una matriz CKM de 3×3 para poder tener una violación CP en el SM. Pero esta respuesta por si misma parece otra explicación antrópica. Parece más interesante ver en este hecho la huella de grupos mayores que los del SM o de la teoría de cuerdas. ¿No serían éstas mejores alternativas?
    Hay muchos y fascinantes puzzles por resolver y la Física moderna armada con el enorme poder de las Matemáticas está acercándose a las respuestas. En mi opinión el más emocionante es el de la naturaleza del espacio-tiempo: ¿que es? ¿de que está formado? ¿cuantas dimensiones tiene? ¿cuales son sus leyes fundamentales? ¿es fundamental o es emergente? ¿Si es emergente: de que unidades fundamentales emerge? Las mentes más brillantes del planeta están detrás de cuestiones relacionadas con este problema y hay indicios de que vamos en la dirección correcta… ¿llegarán pronto las respuestas?

    1. Los resultados de Planck respecto al neutrino estéril no son muy convicentes. Además, la extensión de Shaposhnikov del SM, en el que la DM es esencialmente un trío de neutrinos right-handed superpesados no es fácilmente refutable por esos datos. Lo que los datos de PLANCK desestiman son ciertos modelos “naive” de neutrinos estériles…Es un poco como SUSY, LHC está matando “natural” SUSY y un montón de los modelos posibles, pero no es tan simple acabar ni con la idea de SUSY ni con la idea de neutrino estéril…De hecho, si te crees el seesaw tipo I, por ejemplo (no entro en los otros tipos), para generar la masa del neutrino no vale ni la masa de Planck ni GUT, y tienes que cocinar una masa intermedia antes de GUT para explicar los neutrinos en masas de meV…Alrededor de 10¹⁰-10¹² esencialmente…Es tentador identificar esa escala con la de algún neutrino extra estéril…Pero a saber…El neutrino es, junto al Higgs, el mejor campo del SM que vindica BSM…

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 10 octubre, 2015
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