KATRIN publica su primera medida directa de la masa del neutrino

Por Francisco R. Villatoro, el 17 septiembre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 9

El experimento KATRIN es famoso por las espectaculares fotografías de su paso en 2006 por la ciudad de Eggenstein-Leopoldshafen (a orillas del Rin en Alemania). Su objetivo es la medida directa de la masa del neutrino antes de 2025 si su masa es superior a 0.20 eV (a cinco sigmas solo si es superior a 0.35 eV). Se acaba de publicar su primer resultado (tras solo cuatro semanas de toma de datos): la masa del neutrino es menor de 1.1 eV al 90% CL, lo que mejora en un factor de dos la estimación directa anterior (2.3 eV del experimento Troitsk en 2003). Por supuesto, este valor no puede competir con las medidas cosmológicas indirectas; con los datos de Planck 2018 se estima un valor inferior a 0.12 eV (en realidad se acota la suma de las masas de los tres neutrinos). Por tanto, lo más relevante del nuevo resultado es que KATRIN parece estar funcionando a la perfección. Lo que no es poco para un experimento tan complejo y delicado.

Lo más llamativo del nuevo resultado es la estimación del cuadrado de la masa del neutrino mν2 = −1.0+0.9−1.1 eV2 al 90% CL (lees bien, parece irrisorio, pero es un número negativo). De hecho, KATRIN solo puede medir de forma directa el cuadrado de la masa del neutrino, a partir del cual se realiza la estimación de la masa del estado más masivo del neutrino. Por supuesto, todo el mundo sabe que este valor negativo es un accidente del método de Montecarlo usado para el análisis de los datos (que no sesga el análisis asumiendo que el valor debe ser positivo). Cuando se reduzca la incertidumbre de las medidas el valor central se acercará a cero y finalmente acabará siendo positivo. La medida de valores negativos de mν2  ha hecho correr ríos de tinta en muchas ocasiones; quizás recuerdes la naturaleza taquiónica del neutrino tras los experimentos de LLNL en 1995 o de OPERA en 2011. Pero los legos no deben confundirse, si el neutrino fuera taquiónico ya lo sabríamos.

El nuevo artículo es KATRIN Collaboration, “An improved upper limit on the neutrino mass from a direct kinematic method by KATRIN,” arXiv:1909.06048 [hep-ex] (13 Sep 2019); que viene acompañado de KATRIN Collaboration, “First operation of the KATRIN experiment with tritium,” arXiv:1909.06069 [physics.ins-det] (13 Sep 2019). Por cierto, se anunció el resultado en Guido Drexlin, “Direct neutrino mass measurement,” 16th International Conference on Topics in Astroparticle Physics and Underground Physics (TAUP 2019), Toyama, Japan, 13 Sep 2019 [indico slides]. La estimación de Planck 2018 la tienes en Planck Collaboration, “Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters,” arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO] (17 Jul 2018).

KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino experiment) estudia la desintegración beta del tritio molecular en estado gaseoso y gran pureza. Se estima la masa del neutrino (en realidad del antineutrino) midiendo el pico que debe aparecer en el extremo del espectro de energía de los electrones emitidos; para ello se usa un enorme espectrómetro (el famoso tanque de las fotografías). Siendo un método cinemático, se considera un método directo para la medida de la masa del neutrino. Otros métodos directos se basan en el uso de la desintegración doble beta con neutrinos (2νββ) y, en el caso de que el neutrino fuera un fermión de Majorana, de la desintegración doble beta sin neutrinos (0νββ).

Como puedes ver en el espectro de la figura no se observa ningún pico alrededor de 18565 eV, lo que solo permite obtener un límite de exclusión para la masa del neutrino. No quiero entrar en los detalles sobre todos los estudios de calibración que se han realizado para confirmar el buen funcionamiento del experimento, lo más relevante del nuevo artículo, pues solo interesarán a quienes puedan leerlos en el artículo original.

Permíteme recordar que los estados con masa de los neutrinos (ν1, ν2, y ν3) están relacionados con los estados con sabor (o tipo) de los neutrinos (νe, νμ, y ντ) mediante la matriz unitaria PMNS (Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata). Los experimentos que estudian la oscilación de los neutrinos permiten estimar la diferencia entre el cuadrado de las masas de los neutrinos como Δm212 ≈ 7.53 × 10−5 eV2, y Δm232 ≈ Δm213 ≈ 2.35 × 10−3 eV2. Estos valores son compatibles con dos jerarquías para la masa de los neutrinos; para la normal, m1 ≈ m2 << m3, se estima (aplicando raíces cuadradas) que m3 ≈ 50 meV, y m1 ≈ m2 ≈ 8.6 meV; mientras que para la invertida, m3 << m1 ≈ m2, se estima que m1 ≈ m2 ≈ 50 meV, y m3 ≈ 8.6 meV. Estos valores esperados son demasiado pequeños para que KATRIN permita medir la masa efectiva del (anti)neutrino electrónico tras alcanzar su sensibilidad límite dentro de cinco años (recuerda que es de 200 meV). A pesar de ello, el experimento debe ser realizado, por si acaso hay alguna sorpresa inesperada.

¿Por qué KATRIN medirá la masa efectiva del antineutrino electrónico y no su masa a secas? Porque en rigor el antineutrino electrónico no tiene masa bien definida, siendo ésta una superposición cuántica de tres estados con masa bien definida; bueno, en realidad, según las estimaciones actuales de la matriz PMNS, contribuirán sobre todo dos ellas, ya que se tiene que me2 ≈ 0.7 m12 + 0.3 m22, siendo despreciable a este orden la contribución de m32 (0.000025%); así la jerarquía de masas invertida es la más favorable para KATRIN. Pero el límite cosmológico para la suma de masas, m1 + m2 + m3 < 120 meV (Planck 2018), también nos permite asegurar que la sensibilidad de KATRIN es insuficiente para medir la masa de los neutrinos. Aunque ello no quita que se deba avanzar en las estimaciones directas de la masa de los neutrinos. En el año 2050 auguro que se recordarán estos resultados pioneros como hitos en la historia de la física de los neutrinos.



9 Comentarios

  1. Hola, ¿cual es la razón de que la estimación de la masa sea negativa? No le veo sentido desde el punto de vista del análisis estadístico de los datos, pues bastaría utilizar una distribución a priori que asegure que la masa sea positiva. Agradecería conocer su opinión sobre este punto. Un saludo.

  2. La masa se estima mediante un procedimiento de estimación de parámetros aplicado a un modelo que se asume como correcto. Ese modelo relaciona la masa a otras magnitudes, pero además parte de ese modelo es que la masa es definida como positiva. Por tanto, introducir que la masa es positiva como información a priori no tiene por qué introducir un sesgo en la estimación más de lo que hace el hecho asumir el propio modelo (en mi opinión, pero no soy experto en la física del artículo).

  3. Habrá que esperar. La medición con los instrumentos existentes, es indirecta. Quizás la ciencia avance un poco más en los próximos años. Pero hay que ser realistas, a corto plazo eso no es posible, salvo un nuevo descubrimiento o intervención científica no esperada.

  4. Hablando de cosmologia, entiendo que Mukhanov y Hawking recibieron en 2016 el premio BBVA fronteras del conocimiento por la prediccion de indice espectral ns=0.96.
    Me preguntaba si es plausible que Mukhanov reciba el Nobel por esto o no es de suficiente relevancia.

    Saludos

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