Nuevo hito científico: la mayor aproximación a la esquiva masa del neutrino

En un nuevo récord de la física, el experimento internacional KATRIN determina que la masa de los neutrinos no puede ser superior a 0,8 electronvoltios

El hito tiene importantes implicaciones tanto en Cosmología como en Física de Partículas

Dos técnicos montan electrodos en el espectrómetro principal del experimento KATRIN JOACHIM WOLF/KIT

16/02/2022 a las 01:30h.

Los neutrinos son, posiblemente, las partículas más fascinantes del Universo. Tan livianos que pueden atravesar cuerpos sólidos como si no existieran, juegan sin embargo un destacado papel en Cosmología , ya que sin ellos no podría explicarse la formación de las estructuras a ... gran escala del Universo. Y en el otro extremo, en el diminuto mundo de la física de partículas, su casi inapreciable masa (muy pequeña, pero distinta de cero), abre las puertas a una nueva Física que va más allá de cualquiera de nuestras teorías actuales. Sin una comprensión profunda de los neutrinos, y una medición exacta de su escala de masa, nuestra comprensión del Universo seguirá siendo incompleta.

Ese fue, precisamente, el desafío que asumieron los investigadores del experimento internacional KATRIN , en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe, en Alemania, en el que participan seis países y donde se encuentran los instrumentos más sensibles que existen para calcular la masa del neutrino. Por medio de la desintegración beta del tritio, un isótopo inestable del hidrógeno, los científicos del KATRIN pueden aproximarse a la masa del neutrino a través de la distribución de energía de los electrones liberados en el proceso de desintegración. Algo muy complicado de conseguir y que requiere de un gran esfuerzo tecnológico: el experimento, de 70 metros de largo, alberga la fuente de tritio más intensa del mundo, así como un espectrómetro gigante para medir la energía de los electrones de desintegración con una precisión sin precedentes.

Desde 2019, cuando comenzaron las mediciones científicas, la calidad de los datos no ha dejado de mejorar. En palabras de Guido Drexlin , líder del proyecto, «KATRIN es un experimento con los más altos requisitos tecnológicos y ahora funciona como un reloj perfecto». Christian Weinheimer , el otro coportavoz del experimento, añade que «el aumento de la tasa de señal y la reducción de la tasa de fondo fueron decisivos para el nuevo resultado».

En un artículo publicado en ' Nature Physics ', los investigadores comunican los datos obtenidos durante el primer año de mediciones, y determinan un nuevo límite superior para la masa del neutrino de 0,8 electronvoltios (eV). Es la primera vez que un experimento directo de masas de neutrinos consigue romper la barrera de 1 eV obteniendo valores inferiores, algo que tiene profundas implicaciones tanto para la Cosmología como para la física de partículas.

Gran esfuerzo científico

El análisis en profundidad de estos datos exigió un enorme esfuerzo de todo el equipo de análisis. Todos y cada uno de los efectos, por pequeños que fueran, tenían que ser investigados en detalle. «Solo mediante este método laborioso e intrincado -escriben los autores- pudimos excluir un sesgo sistemático de nuestro resultado debido a procesos distorsionadores. Estamos particularmente orgullosos de nuestro equipo de análisis, que asumió con éxito este enorme desafío con gran compromiso».

Susanne Merten , del Instituto Max Planck de Física y miembro del experimento, explica cómo fue el camino hasta conseguir este hito: «nuestro equipo en el MPP en Munich ha desarrollado un nuevo método de análisis para KATRIN que está especialmente optimizado para los requisitos de esta medición de alta precisión. Esta estrategia se ha utilizado con éxito para resultados pasados y actuales. Mi grupo está muy motivado: seguiremos afrontando los retos futuros del análisis KATRIN con nuevas ideas creativas y una precisión meticulosa».

Para afinar aún más los resultados, se seguirán haciendo más mediciones hasta finales de 2024. A partir de ahí, la incorporación de un nuevo sistema detector, llamado TRISTAN , permitirá a KATRIN embarcarse en la búsqueda de neutrinos 'estériles' con masas en el rango de kiloelectronvoltios, un candidato para la misteriosa materia oscura del Universo, ese 'otro' tipo de materia que ya se ha manifestado en muchas observaciones astrofísicas y cosmológicas, pero cuya naturaleza aún se desconoce.