FÍSICA

Más cerca de saber por qué existe la materia

Un nuevo cálculo de la colaboración KamLAND-Zen ha permitido establecer un límite máximo a la masa de los neutrinos y publica los datos más precisos hasta la fecha sobre el proceso de desintegración doble beta sin neutrinos.

Una imagen de los detectores
Una imagen de los detectores KamLAND-Zen Collaboration

La física de neutrinos es una de las más activas actualmente en física de partículas. Uno de los aspectos que se investiga es, precisamente, qué son, en el sentido de qué características tienen, los neutrinos. Y una de estas características es saber si los neutrinos son su propia antipartícula, a diferencia, por ejemplo, del electrón, cuya antipartícula es el positrón.

La idea de que los neutrinos y los antineutrinos, ambos neutros eléctricamente, son la misma cosa fue una hipótesis lanzada por Ettore Majorana en 1937.  Wolfgang Pauli había postulado en 1930 la existencia de unas partículas neutras para hacer cuadrar la energía y el momento lineal en un tipo de desintegración radiactiva llamado beta. Si la hipótesis de Majorana es correcta podría explicar por qué los neutrinos tienen masa y por qué el universo tiene más materia que antimateria, uno de los grandes misterios de la cosmología.

Existen varios experimentos actualmente funcionando para intentar determinar si los neutrinos son partículas de Majorana, uno de ellos, NEXT, en España. La colaboración KamLAND-Zen, que lleva a cabo el experimento en Japón, acaba de publicar los datos más precisos hasta la fecha de un proceso que se llama desintegración doble beta sin neutrinos (abreviado 0νββ), una de las formas en las que se puede confirmar la hipótesis de Majorana. Si bien los resultados no son concluyentes, sí imponen condiciones muy estrictas a las posibles características de los neutrinos de Majorana.

La desintegración doble beta normal (2νββ) es un proceso nuclear en el que dos neutrones se transforman en dos protones (o viceversa) emitiendo 2 antineutrinos. Pero si los neutrinos fuesen fermiones (partículas con espín no entero, en este caso ½) de Majorana, los dos neutrinos emitidos en 2νββ se aniquilarían entre sí, con el resultado de que no se emitirían neutrinos (0νββ). Sin embargo la desintegración con neutrinos se cree que es extremadamente rara, en el sentido de que hacen falta o enormes cantidades de material radiactivo o enormes cantidades de tiempo, o ambas cosas, para poder observarla. Los experimentos que buscan la desintegración 0νββ emplean  grandes cantidades de los 35 isótopos conocidos que pueden sufrir la desintegración 2νββ, hasta el momento sin éxito.

La colaboración KamLAND-Zen ha aumentado su sensibilidad a la desintegración 0νββ combinando una serie de factores. Por un lado los detectores, que tienen muy poco ruido de fondo. Y, por otro, lo más importante, una cantidad ingente de xenón-136, uno de los isótopos en los que puede tener lugar la 2νββ, purificándolo hasta librarlo de cualquier contaminante radiactivo, especialmente plata, que pudiese producir señales indeseadas en los detectores.

La combinación de datos recogidos durante varios años ha permitido mejorar 6 veces los límites de la probabilidad de la desintegración 0νββ establecidos por búsquedas anteriores. Como decíamos más arriba la rareza de una desintegración se mide en tiempo, en concreto con un parámetro conocido como período de semidesintegración, que es el tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los núcleos de una muestra inicial de un radioisótopo. Pues bien,  KamLAND-Zen ha establecido que el período de semidesintegración de 0νββ es mayor que 1,07 · 1026 años.

Este cálculo también ha permitido establecer un límite máximo a la masa de los neutrinos, que deben ser más livianos que el rango 61-165 meV. Hace tan solo dos años este rango se medía en eV en vez de meV.

Referencia: A. Gando et al. (KamLAND-Zen Collaboration) Search for Majorana Neutrinos Near the Inverted Mass Hierarchy Region with KamLAND-Zen Phys. Rev. Letters doi: 10.1103/PhysRevLett.117.082503

* Este artículo es parte de ‘Proxima’, una colaboración semanal de la Cátedra de Cultura Científica de la UPV con Next. Para saber más, no dejes de visitar el Cuaderno de Cultura Científica.

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