Los neutrinos son extraordinariamente difíciles de detectar, pero son una de las partículas de materia más abundantes del universo. Según el Modelo Estándar de física de partículas, se conocen tres tipos. Ese panorama cambió cuando los científicos descubrieron las oscilaciones de neutrinos, un fenómeno que muestra que los neutrinos tienen masa y pueden cambiar entre diferentes tipos a medida que viajan por el espacio. A lo largo de los años, varios resultados experimentales inexplicables han alimentado la especulación sobre una cuarta especie conocida como neutrino estéril, que interactuaría más débilmente que las demás. Confirmar su existencia marcaría un cambio importante en nuestra comprensión de la física fundamental.
Se ha publicado un nuevo estudio. la naturaleza informa la búsqueda directa más precisa hasta la fecha de neutrinos estériles. El trabajo proviene de la colaboración KATRIN, que analizó la desintegración radiactiva del tritio para buscar signos sutiles de un tipo de neutrino adicional.
El experimento KATRIN (Tritium Neutrino) en Karlsruhe fue diseñado originalmente para medir la masa de neutrinos. Lo hace siguiendo cuidadosamente las energías de los electrones emitidos durante la desintegración β del tritio. Cuando el tritio se desintegra, el neutrino transporta algo de energía, lo que cambia ligeramente el patrón energético del electrón emitido. Si a veces se produce un neutrino estéril, dejará una distorsión o “torcedura” reconocible en ese patrón.
Ubicada en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania, Katrin se extiende a lo largo de 70 metros. Su instalación consiste en una poderosa fuente de tritio gaseoso sin ventanas, un espectrómetro de alta resolución que mide con precisión la energía de los electrones y un detector que registra las partículas. Desde que comenzó a funcionar en 2019, el experimento ha recopilado datos de la desintegración β del tritio con una precisión incomparable, investigando específicamente las pequeñas desviaciones que se esperan de un neutrino estéril.
Lo que revelan los datos sobre los neutrinos estériles
en el nuevo la naturaleza En el artículo, el equipo informa sobre la detección de la desintegración β del tritio, la más sensible hasta la fecha a los neutrinos estériles. Entre 2019 y 2021, KATRIN registró alrededor de 36 millones de electrones durante 259 días de adquisición de datos. Estas mediciones se compararon con modelos detallados de desintegración β y lograron una precisión superior al uno por ciento. El análisis no encontró evidencia de neutrinos estériles.
Este resultado descarta una amplia gama de posibilidades sugeridas por anomalías anteriores. Estas anomalías incluyeron deficiencias inesperadas observadas en experimentos de neutrinos en reactores y mediciones de fuentes de galio, las cuales apuntaban a un cuarto neutrino. Los resultados contradicen completamente el experimento del neutrino-4, que pretendía evidencia de tal partícula.
El fondo excepcionalmente bajo de KATRIN significa que casi todos los electrones detectados se originan a partir de la desintegración del tritio, lo que permite una medición muy limpia del espectro de energía. A diferencia del experimento de oscilación, que observa cómo el neutrino cambia de identidad después de viajar una cierta distancia, Katrin examina la distribución de energía en el momento en que se produce el neutrino. Debido a que estos métodos investigan diferentes aspectos del comportamiento de los neutrinos, se complementan entre sí y juntos proporcionan pruebas sólidas contra la hipótesis de los neutrinos estériles.
Cómo KATRIN complementa otras pruebas
“Nuestros nuevos resultados complementan plenamente los experimentos con reactores como STEREO”, explica Thierry Lassère (Instituto Max Planck de Kernfísica) de Heidelberg, quien dirigió el análisis. “Aunque los experimentos en reactores son más sensibles a la fragmentación de masa activa estéril por debajo de unos pocos eV2KATRIN explora el rango de unos pocos a cientos de eV². Juntos, los dos enfoques ahora descartan consistentemente neutrinos ligeros estériles que se mezclarían apreciablemente con tipos de neutrinos conocidos”.
Esperando más datos y nuevos detectores.
KATRIN continuará recopilando datos hasta 2025, mejorando aún más su sensibilidad y permitiendo pruebas más rigurosas de neutrinos ligeros estériles. “Al final de la adquisición de datos en 2025, KATRIN habrá registrado más de 220 millones de electrones en la región de interés, aumentando las estadísticas en un factor de más de seis”, dijo Catherine Valerius (KIT), co-portavoz de KATRIN. “Esto nos permitirá superar los límites de la combinación de ángulos de precisión y detección por debajo de los límites actuales”.
Está prevista una actualización para 2026, cuando se añadirá al experimento el detector TRISTAN. TRISTAN registrará el espectro completo de desintegración β del tritio con estadísticas sin precedentes. Al pasar por alto el espectrómetro principal y medir directamente la energía de los electrones, TRISTAN podrá buscar muchos neutrinos pesados y estériles. “Esta configuración de próxima generación abrirá una nueva ventana al rango de masas keV, donde los neutrinos estériles pueden incluso formar la materia oscura del Universo”, dijo la coautora Suzanne Mertens (Instituto Max Planck de Física).
Un esfuerzo científico internacional
La Colaboración Katrin reúne a científicos de más de 20 instituciones en 7 países, lo que refleja el esfuerzo global detrás de uno de los experimentos de neutrinos más precisos jamás construido.
