Nuevo límite de GERDA para la vida media de la desintegración doble beta sin neutrinos (0νββ)

Por Francisco R. Villatoro, el 4 octubre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science

No sabemos cómo incorporar los neutrinos al modelo estándar pues ignoramos si son fermiones de Dirac o de Majorana. Hay varios experimentos en curso que tratan de dilucidar esta cuestión capital gracias a la observación de la desintegración doble beta sin neutrinos (0νββ). El experimento GERDA publica en Science su último resultado, una vida media para el proceso 0νββ de T1/2 > 0.9 × 1026 años (90% C.L.); combinado con otros experimentos implica, si el neutrino es de Majorana, un límite superior a la masa del neutrino de 0.07 – 0.16 eV. GERDA ha obtenido este resultado tras no observar ninguna señal en su detector de germanio-76 tras un tiempo de exposición de 82.4 kg ⋅ año.

Los neutrinos son las partículas más misteriosas que conocemos, porque su física está llena de misterios, es decir, aún ignoramos muchas de sus propiedades. No sabemos cuál es la masa de sus estados masivos, ni si su jerarquía de masas es normal o invertida, ni siquiera si son partículas absolutamente neutras (idénticas a su antipartícula); en este último caso serían fermiones de Majorana. Cuando nació el modelo estándar estos misterios no existían ya que se creía que los neutrinos eran partículas sin masa, luego fermiones de Weyl. El descubrimiento de que tienen masa (Premio Nobel de Física en 2015) nos deja en un estado de ignorancia que resulta incómodo para algunos; pero que resulta apasionante para muchos otros.

Por cierto, el experimento español NEXT-100 tiene una sensibilidad estimada (tras cinco años de toma de datos) de T1/2 ~ 1.1 × 1026 años; luego podrá obtener un resultado un poco mejor que el de GERDA, el mejor hasta ahora (salvo, por supuesto, que observe el proceso 0νββ y se encamine hacia el Nobel de Física). El nuevo artículo es GERDA Collaboration, “Probing Majorana neutrinos with double-β decay,” Science 365: 1445-1448 (27 Sep 2019), doi: https://doi.org/10.1126/science.aav8613.

GERDA (Germanium Detector Array), en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso (LNGS), Italia, estudia el proceso 0νββ en Ge-76, que actúa tanto de fuente como de detector. Los isótopos Ge-76 enriquecen a más del 85% barras germanio de alta pureza (99.9999%) con una masa total de 35.6 kg; estas barras se encuentran sumergidas en 63 m³ de argón líquido (LAr) que sirve como escudo protector contra desintegraciones radioactivas espurias. La señal de la desintegración doble beta sin neutrinos (76Ge → 76Se + 2e) se observará como un pico en el espectro energético a Qββ = 2039.061 ± 0.007 keV.

No se ha observado ninguna señal, lo que permite obtener un límite para la vida media de la desintegración 0νββ. Lo más importante de GERDA es que su fondo de ruido es muy limpio, lo que permite asegurar que su límite (aunque solo alcance 2.4 sigmas) es bastante fiable.

Esta tabla resume el estado actual de los experimentos que exploran el proceso 0νββ. Combinando sus límites para la vida media y asumiendo que el neutrino es un fermión de Majorana se puede obtener un límite superior a su masa. GERDA logra un límite superior de mββ < 0.1 – 0.23 eV, mientras que la combinación de todos lo mejora a mββ < 0.07 – 0.16 eV, ambos al 90% C.L.; nótese que el valor inferior es muy similar al obtenido con KamLAND-Zen. Así se puede afirmar que estos experimentos apuntan a que la masa efectiva del neutrino es menor de 0.16 eV, valor que está por debajo de la sensibilidad máxima de 0.20 eV de KATRIN (LCMF, 17 sep 2019). No hay mucho más que pueda contar de este nuevo resultado de GERDA que se ha publicado en la prestigiosa Science.



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