CUORE publica en Nature su estimación de la vida media de la desintegración doble beta sin neutrinos (0νββ)

Por Francisco R. Villatoro, el 9 abril, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 4

Hay un artículo publicado en Nature esta semana que me ha sorprendido mucho. Y no solo a mí, también a los revisores de dicho artículo (según su informe público de peer review). El experimento italiano CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) ha publicado su última estimación de la vida media de la desintegración doble beta sin neutrinos (0νββ), T1/2 > 2.2 × 1025 años (90 % C.L.). Me ha sorprendido porque el experimento GERDA ya publicó en 2019 en Science que dicha vida media era T1/2 > 9.0 × 1025 años (90 % C.L.); uno esperaría que en Nature se publicara un nuevo récord, como poco. Pero sobre todo me han sorprendido los comentarios de los revisores. El revisor #1 opina que este resultado debería publicarse en una revista de física en lugar de Nature («it would better fit in a physics journal than Nature»). El revisor #2 que Nature publica resultados rompedores, pero este resultado es de poca importancia («Nature is usually in the business of publishing ground-breaking results, however to me this seems more like a minor data update»). Solo el revisor #3 está a favor de la publicación en Nature porque es la mejor estimación de T1/2 usando, ojo al dato, un detector de telurio-130 («this is the world’s most sensitive search for 0νββ decay with Te-130, [and] a technological milestone [that]  merits publication in Nature»).

Los autores le contestan a los revisores #1 y #2 que en los últimos años se han publicado en Nature los resultados de GERDA y EXO-200, lo que implica que dicha revista está interesada en publicar nuevos resultados de detectores 0νββ («Nature has shown interest in publishing results from 0νββ detector experiments. [For] example, Nature 544 47–52 (2017) (GERDA) and Nature 510, 229–234 (2014) (EXO-200)»). La verdad, me ha sorprendido mucho que este nuevo artículo de CUORE, tras cinco años de toma de datos, se haya publicado en la revista generalista con mayor índice de impacto. Me alegro mucho por los autores, por supuesto, pero ello no quita que me sorprenda. La publicación de resultados negativos (como los límites de exclusión en física de partículas) es muy excepcional en revistas de alto índice de impacto. Me parece que estamos ante un nuevo ejemplo de que en Nature es el gusto de los editores lo que marca lo que se publica; me atrevo a conjeturar que alguno de ellos es un apasionado de la posibilidad de que el neutrino sea un fermión de Majorana (idéntico a su antipartícula), en lugar de un fermión de Dirac (lo que a mi pesar todo apunta a que acabará siendo demostrado).

La búsqueda de la naturaleza del neutrino continúa. El futuro de CUORE se llama CUPID (CUORE Upgrade with Particle ID) que alcanzará una sensibilidad para T1/2 entre 1027  y 1028 años para un neutrino con una masa entre 15 y  50 meV; y su futuro aún en fase de diseño se llamará CUPID-1T, que debería alcanzar una sensibilidad entre 1027  y 1028 años para un neutrino con masa entre 4 y 15 meV. Sin lugar a dudas la década de los 2020 será la década de los neutrinos. El artículo es The CUORE Collaboration, «Search for Majorana neutrinos exploiting millikelvin cryogenics with CUORE,» Nature 604: 53-58 (06 Apr 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04497-4; más información en Jason Detwiler, «Cryogenic mastery aids bid to spot elusive matter creation,» Nature 604: 42-43 (06 Apr 2022), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-00836-7.

Solo hemos observado las componentes quirales levógiras (dextrógiras) de los neutrinos (antineutrinos); si fueran fermiones de Dirac, sus componentes dextrógiras (levógiras) tendrían que tener una gran masa para escapar de nuestros detectores. Pero también podría ocurrir que lo que parecen antineutrinos fueran en realidad neutrinos de quiralidad dextrógira, es decir, que los neutrinos fueran fermiones de Majorana (propuesta teórica de Ettore Majorana en 1937). La supersimetría requiere que los bosones estén acompañados de fermiones de Majorana; por ello, el mantra de la naturalidad en física de partículas, que apunta a la supersimetría en la escala electrodébil, también apuntaría a que los neutrinos sean partículas idénticas a su antipartícula. Por supuesto, que aún no se haya observado la supersimetría a baja energía no se puede decir que apoye que los neutrinos no sean partículas de Majorana.

La señal más característica de los neutrinos de Majorana es la desintegración doble beta sin neutrinos (0νββ); al ser el neutrino su propia antipartícula, dos neutrinos pueden aniquilarse dando lugar a una desintegración doble beta con dos electrones sin ningún neutrino. Para observar este fenómeno hay que usar un material en el que se haya observado la desintegración doble beta con neutrinos (2νββ), vía (A, Z) → (A, Z + 2) + 2e,  y buscar durante mucho tiempo la posible observación de una desintegración sin neutrinos (0νββ), en la que solo se observen los electrones.

CUORE usa 1.5 toneladas de cristales de óxido de telurio (IV), o dióxido de telurio, TeO2, enfriados a 10 mK (milikelvin). En el telurio-130 (130Te) la desintegración 2νββ tiene una vida media (estimada por CUORE-0 en 2017) de T1/2,2ν = (8.2 ± 0.2 ± 0.6) × 1020 años. Tras cinco años de toma de datos, con una exposición de 1038.4 kg año de TeO2, CUORE no ha observado ningún pico Qββ a 2527.5 keV, su señal de una desintegración 0νββ, lo que permite estimar una vida media para este proceso de T1/2 > 2.2 × 1025 años (90 % C.L.).

CUORE se encuentra en el laboratorio subterráneo de Gran Sasso (LNGS) en Italia, donde está aislado de sucesos espurios debidos los rayos cósmicos por el equivalente a 3600 metros de agua. Más aún, la base y los laterales de los cristales de TeO2 del detector están rodeados por placas de 6 cm de grosor de plomo de origen romano (plomo-206 libre de plomo-210); su origen es el naufragio de un barco romano cargado con 33 toneladas de lingotes de plomo que se hundió entre los años 50 y 80 a.C. cerca de la isla de Cerdeña y que fue descubierto en 1988 (nos cuenta su historia Jordi Pereyra, «Los lingotes de plomo romanos que ayudan a estudiar los neutrinos», Ciencia, La Razón, 05 mar 2020). Por cierto, la parte superior del detector tiene una placa de 25 cm de grosor de plomo moderno (que podría estar contaminado con plomo-210 radiactivo, cuya vida media son unos 22 años).

¿Por qué se publica este resultado en Nature en lugar de en una revista de física? Según los autores del artículo porque CUORE es la culminación de 30 años de búsquedas de la desintegración 0νββ usando calorímetros criogénicos de TeO2. Su nuevo resultado es un hito en dicha búsqueda. Me sorprende un argumento tan simple para justificar una publicación en Nature, pero me sorprende con agrado, pues me alegra que Nature también publique artículos de física de partículas de vez en cuando.



4 Comentarios

  1. En el 2020 la vida media era de T=3.2*10^25 años y ahora en el 2022 de T=2.2*10^25 [1] me parece raro que haya bajado si son dos toma de datos distintos supongo que podría ser pero igual como que esperaría que el limite subiese en fin me parece que no estoy entiendo bien eso ni como paso de 10^20 en 2017 a 10^25 en el 2020. Gracias de antemano y saludos
    [1] https://en.wikipedia.org/wiki/CUORE#Results

    1. Dabed, en el nuevo artículo en Nature aparecen tres estimaciones de la vida media mínima: la oficial para la media, T > 2.2 × 10²⁵ años (90 % C.L.), la obtenida para la media por un método frecuencial usando el método de Rolke, T > 2.6 × 10²⁵ años (90 % C.I.) y la obtenida para la mediana por un método bayesiano, T > 2.9 × 10²⁵ años (90 % C.I. bayesiano). En el artículo que citas de 2020 publicado en Physical Review Letters, con un tercio de la exposición del nuevo artículo en Nature, se publicaba como resultado oficial para la media T > 1.7 × 10²⁵ años (90 % C.L.), y como resultado para la mediana por el método bayesiano, T > 3.5 × 10²⁵ años (90 % C.I. bayesiano); este último valor bayesiano para la mediana era más optimista de la cuenta y ahora con tres veces más datos el mismo método ofrece una respuesta mucho más ajustada al valor obtenido para la media. El artículo de 2020 es CUORE Collaboration «Improved Limit on Neutrinoless Double-Beta Decay in ¹³⁰Te with CUORE,» Phys. Rev. Lett. 124: 122501 (26 Mar 2020), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.122501.

      La estadística es sutil y no se puede reducir a un número; hay que tener cuidado con los datos que aparecen en la wikipedia, no siempre son fiables.

      1. De hecho el dato del 2022 con sus dos referencias lo agregué yo el día 8 en en el articulo de CUORE[1] y 0νββ[2], el dato del 2020 aparecia citado en el articulo de 0νββ pero no en el de CUORE así que lo copie con su respectiva referencia que es la misma que indicas, no se que mas podría editar o referenciar para hacer los datos mas fiables solo espero un futuro editor pueda mejorar esta parte de ambos pero con lo que explicas me queda mas clara la diferencia. Gracias nuevamente!

        [1]https://en.wikipedia.org/wiki/CUORE#Results
        [2]https://en.wikipedia.org/wiki/Neutrinoless_double_beta_decay#Currently_data-taking_experiments

  2. Tampoco puede sorprender, las revistas científicas, antes que científicas son revistas, y Nature más que ninguna. Sus intereses principales son editoriales, por ello se han colado artículos de homeopatía y memoria del agua varias veces.

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