Una posible explicación de la ligereza de los neutrinos podría ayudar a responder a algunas grandes preguntas sobre el universo.
Crédito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova
Por Matthew R. Francis, para Symmetry Magazine Febrero 9 de 2016
La masa es una propiedad fundamental de la materia, pero todavía hay mucho sobre ella que no entendemos, especialmente cuando se trata de extrañas masas diminutas de neutrinos.
Una idea llamada mecanismo del balancín propone una manera de explicar las masas de estas curiosas partículas. Si se demuestra que es correcta, podría ayudarnos a entender mucho sobre la naturaleza de las fuerzas fundamentales y-tal vez-por qué hay más materia que antimateria en el universo actual.
Wibbly-wobbly massy-wassy cosas
Las masas de los bits más pequeños de materia cubren una amplia gama. Los electrones son aproximadamente 1800 veces menos masivos que los protones y neutrones, que son cien veces menos masivos que el bosón de Higgs. Otras bestias raras como el quark superior son aún más pesadas.
Entonces tenemos los neutrinos, que no encajan en absoluto.
De acuerdo con el Modelo Estándar de partículas y fuerzas que surgieron en la década de 1970, los neutrinos no tenían masa. Los experimentos parecían coincidir. Sin embargo, durante las dos décadas siguientes, los físicos mostraron que los neutrinos cambian su sabor o tipo.
Neutrinos vienen en tres variedades: electrón, muón y tau. Piense en ellos como el helado napolitano: La fresa es el neutrino de electrones; la vainilla es el neutrino de muón; y el chocolate es el neutrino tau.
A finales de la década de 1980, los físicos eran razonablemente buenos para sacar la fresa; la mayoría de los experimentos fueron diseñados para detectar neutrinos de electrones solamente. Pero estaban viendo mucho menos de lo que la teoría predijo que debían.
En 1998, los investigadores descubrieron que los neutrinos que faltaban podían ser explicados por la oscilación, las partículas estaban cambiando de un sabor a otro. Al averiguar cómo detectar los otros sabores, mostraron que podrían explicar el resto de los neutrinos que faltaban.
Este descubrimiento les obligó a reconsiderar la masa del neutrino, ya que los neutrinos pueden oscilar sólo si tienen una masa pequeña pero no nula.
Hoy en día, "sólo por hechos experimentales, sabemos que las masas de neutrinos son mucho más pequeñas comparadas con todas las masas elementales (partículas de materia)", dice Mu-Chun Chen, físico teórico de la Universidad de California en Irvine.
Todavía no sabemos exactamente cuánta masa tienen, sino observaciones astronómicas. Mirando hacia los cielos para ver las masas de neutrinos, es probable que alrededor de un millonésimo de la masa de un electrón -o incluso menos. Y esta pequeña masa podría ser un producto del mecanismo del balancín.
Crédito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova
¡No soy zurdo!
Para visualizar otra importante propiedad de los neutrinos, haga un gesto de "pulgar hacia arriba" con su mano izquierda. Sus dedos curl la forma en que el neutrino gira, y su pulgar apuntará en la dirección que viaja. Esta combinación hace una partícula "zurda". Antineutrinos, la versión de antimateria de los neutrinos, son diestro: Tome su mano derecha y haga un pulgar hacia arriba para mostrar la relación entre su giro y movimiento.
Algunas partículas tales como los electrones o los quarks no giran en ninguna dirección particular en relación con la forma en que se mueven; no son ni puramente derecha ni zurda. Hasta ahora, los científicos sólo han observado neutrinos zurdos.
Pero el mecanismo del balancín predice que hay dos tipos de neutrinos: los ligeros, los zurdos que conocemos y -en el otro extremo del balancín metafórico- neutrinos pesados y diestra que nunca hemos visto. El balancín en sí mismo es una relación: cuanto más alta es la masa del neutrino diestro, menor es la masa de los neutrinos zurdos. Sobre la base de experimentos , estos neutrinos diestro serían extraordinariamente masivos, tal vez 10 ^ 15 (un billón) veces más pesado que un protón.
Y hay más: El mecanismo del balancín predice que si existen neutrinos diestro, entonces serían sus propias antipartículas. Esto podría darnos una pista de cómo nuestro universo llegó a estar lleno de materia.
Una idea es que en la primera fracción de segundo después del big bang, el universo produjo un poco más de materia que de antimateria. Después de que la mayoría de las partículas aniquiladas con sus contrapartes de antimateria, ese desequilibrio nos dejó con la materia que tenemos hoy. La mayoría de las leyes de la física no distinguen entre materia y antimateria, así que algo más allá del Modelo Estándar debe explicar la asimetría.
Las partículas que son sus propias antipartículas pueden producir situaciones que violan algunas de las reglas normales de la física. Si existen neutrinos diestro, que son sus propios antineutrinos, entonces los neutrinos podrían presentar el mismo tipo de violación de simetría que podría haber ocurrido para otros tipos de materia. Exactamente cómo eso lleva sobre a la materia con excepción de neutrinos, aunque, sigue siendo un área de la investigación activa para Chen y otros físicos.
Buscando el balancín
Los científicos piensan que todavía no han visto a estos pesados derechistas por dos razones. Primero, la única fuerza que conocen para actuar sobre los neutrinos es la fuerza débil, y la fuerza débil actúa sólo sobre las partículas zurdas. Los neutrinos diestro podrían no interactuar con ninguna de las fuerzas conocidas.
Segundo, los neutrinos diestro serían demasiado masivos para ser estables en nuestro universo, y requerirían demasiada energía para ser creados incluso en el acelerador de partículas más poderoso. Sin embargo, estas partículas podrían dejar huellas en otros experimentos .
Hoy en día, los científicos están estudiando los neutrinos ligeros y zurdos que podemos ver para buscar signos que nos puedan dar un veredicto sobre el mecanismo del balancín.
Por un lado, están buscando si los neutrinos son sus propias antipartículas. Eso no necesariamente significaría que el mecanismo del balancín es verdadero, pero encontrarlo sería un gran punto en el favor del mecanismo del balancín.
El mecanismo del balanceo va de la mano de las grandes teorías unificadas, teorías que unen la teoría fuerte, débil y electromagnética en una sola fuerza a altas energías. Si los científicos encuentran evidencia del mecanismo del balancín, podrían aprender cosas importantes sobre cómo se relacionan las fuerzas.
El mecanismo del balancín es la manera más probable de explicar cómo los neutrinos obtuvieron su masa. Sin embargo, frustrantemente, la naturaleza de la explicación empuja muchas de sus consecuencias comprobables fuera del alcance experimental.
La mejor esperanza reside en la experimentación persistente y, al igual que en el descubrimiento de la oscilación de los neutrinos, en primer lugar, la caza de cualquier cosa que no encaje perfectamente con las expectativas.
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