Cómo los neutrinos podrían resolver las tres preguntas

abiertas más importantes en física Comenzó con una explosión El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras Una mirada detallada al Universo revela que está hecho de materia y no de antimateria, que se requieren materia oscura y energía oscura, y que no conocemos el origen de ninguno de estos misterios. Crédito de la imagen: Chris Blake y Sam Moorfield Por Ethan Siegel, para Forbes Dicembre 5 de 2017 Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas exclusivamente. Cuando echas un vistazo al Universo con gran detalle, algunos hechos te sorprenden. Todas las estrellas, galaxias, gas y plasma están hechas de materia y no de antimateria, aunque las leyes de la naturaleza parecen simétricas entre las dos. Para formar las estructuras que vemos en las escalas más grandes, necesitamos una gran cantidad de materia oscura: aproximadamente cinco veces más que toda la materia normal que poseemos. Y para explicar cómo la velocidad de expansión ha cambiado con el tiempo, necesitamos una misteriosa forma de energía inherente al espacio en sí misma que es dos veces más importante (en lo que respecta a la energía) que todas las otras formas combinadas: energía oscura. Estos tres acertijos pueden ser los mayores problemas cosmológicos para el siglo XXI, y sin embargo, la partícula que va más allá del modelo estándar, el neutrino, podría explicarlos todos. Las partículas y antipartículas del Modelo Estándar de física de partículas están exactamente en línea con lo que requieren los experimentos, con solo neutrinos masivos que proporcionan una dificultad. Crédito de la imagen: E, Siegel / Beyond the Galaxy Aquí en el Universo físico, tenemos dos tipos de Modelos Estándar: 1. El Modelo Estándar de física de partículas (arriba), con seis sabores de quarks y leptones, sus antipartículas, los bosones gauge y el Higgs. 2. El Modelo Estándar de la cosmología (abajo), con el Big Bang inflacionario, materia y no antimateria, y una historia de formación de estructuras que conduce a estrellas, galaxias, cúmulos, filamentos y el Universo actual. Ambos modelos estándar son perfectos en el sentido de que explican todo lo que podemos observar, pero ambos contienen misterios que no podemos explicar. Desde el lado de la física de partículas, está el misterio de por qué las masas de partículas tienen los valores que tienen, mientras que en el lado de la cosmología están los misterios de lo que son materia oscura y energía oscura, y por qué (y cómo) llegaron a dominar el universo. La materia y el contenido de energía en el Universo en este momento (izquierda) y en épocas anteriores (derecha). Tenga en cuenta la presencia de energía oscura, materia oscura y la prevalencia de la materia normal sobre la antimateria, que es tan pequeña que no contribuye en ninguno de los momentos que se muestran. Crédito de la imagen: NASA, modificado por el usuario de Wikimedia Commons 老陳, modificado posteriormente por E. Siegel El gran problema de todo esto es que el Modelo Estándar de Física de Partículas explica todo lo que hemos observado alguna vez: cada partícula, interacción, decaimiento, etc., perfectamente. Nunca hemos observado una sola interacción en un colisionador, un rayo cósmico o cualquier otro experimento que vaya en contra de las predicciones del Modelo estándar. La única pista experimental que tenemos de que el Modelo Estándar no nos da todo lo que observamos es el hecho de las oscilaciones de neutrinos: donde un tipo de neutrino se transforma en otro a medida que pasa a través del espacio, y a través de la materia en particular. Esto solo puede ocurrir si los neutrinos tienen una masa pequeña, pequeña, distinta de cero, en oposición a las propiedades sin masa predichas por el Modelo Estándar. Si comienzas con un neutrino de electrones (negro) y le permites viajar a través de un espacio vacío o materia, tendrá una cierta probabilidad de oscilar en uno de los otros dos tipos, algo que solo puede ocurrir si los neutrinos tienen un tamaño muy pequeño pero no -zero masas. Crédito de la imagen: usuario de Wikimedia Commons Estrecho Entonces, ¿por qué y cómo los neutrinos obtienen sus masas, y por qué esas masas son tan pequeñas en comparación con todo lo demás? La diferencia de masa entre un electrón, la partícula normal más ligera del modelo estándar y el neutrino más pesado posible es más que un factor de 4.000.000, una brecha incluso mayor que la diferencia entre el electrón y el quark top. Crédito de la imagen: Hitoshi Murayama Aún hay más extravagancia en marcha cuando miras más de cerca estas partículas. Verá, cada neutrino que hemos observado es zurdo, lo que significa que si señala el pulgar de su mano izquierda en una determinada dirección, sus dedos se curvan en la dirección del giro del neutrino. Cada antineutrino, por otro lado (literalmente), es diestro: el pulgar derecho apunta en la dirección del movimiento y los dedos se curvan en la dirección del giro del anti-neutrino. Todos los demás fermiones que existen tienen una simetría entre partículas y antipartículas, que incluye la misma cantidad de tipos de diestros y zurdos. Esta extraña propiedad sugiere que los neutrinos son Majorana (en lugar de los fermentos Dirac normales), donde se comportan como sus propias antipartículas. ¿Por qué podría ser esto? La respuesta más simple es a través de una idea conocida como mecanismo de observación. Si comienzas con masas iguales con la mano izquierda y la derecha (punto verde), pero una masa grande y pesada cae en un lado del balancín, crea una partícula súper pesada que puede servir como un candidato de materia oscura (actuando como un neutrino diestro) y un neutrino normal muy ligero (que actúa como un neutrino zurdo). Este mecanismo causaría que los neutrinos zurdos actúen como partículas de Majorana. Crédito de la imagen: imagen de dominio público, modificado por E. Siegel Si tuviera neutrinos "normales" con masas típicas, comparables a las otras partículas del Modelo Estándar (o la escala electrodébil), eso sería de esperar. Los neutrinos zurdos y los neutrinos diestros serían equilibrados, y tendrían una masa de alrededor de 100 GeV. Pero si hubiera partículas muy pesadas, como la amarilla (arriba) que existía en alguna escala ultra alta (alrededor de 10^15 GeV, típica para la gran escala de unificación), podrían aterrizar en un lado del subibaja. Esta masa se mezclaría con los neutrinos "normales" y obtendría dos tipos de partículas: un neutrino diestro ultraderecho, estable, neutro y de interacción débil (alrededor de 10^15 GeV), pesado por la masa pesada que aterrizó en un lado del balancín, yun neutrino zurdo, ligero, neutro y de interacción débil de la masa "normal" al cuadrado sobre la masa pesada: alrededor de (100 GeV) 2 / (10^15 GeV), o alrededor de 0.01 eV. link: https://www.youtube.com/watch?v=QSivvdIyeG4 Ese primer tipo de partícula podría ser fácilmente la masa de la partícula de materia oscura que necesitamos: un miembro de una clase de candidatos de materia oscura fría conocida como WIMPzillas. Esto podría reproducir con éxito la estructura a gran escala y los efectos gravitacionales que necesitamos para recuperar el Universo observado. Mientras tanto, el segundo número se alinea extremadamente bien con los rangos de masa reales permitidos de los neutrinos que tenemos hoy en nuestro Universo. Dadas las incertidumbres de uno o dos órdenes de magnitud, esto podría describir exactamente cómo funcionan los neutrinos. Le da un candidato a materia oscura, una explicación de por qué los neutrinos serían tan livianos, y otras tres cosas interesantes. Los destinos esperados del Universo (las tres ilustraciones superiores) corresponden a un Universo donde la materia y la energía luchan contra la tasa de expansión inicial. En nuestro Universo observado, una aceleración cósmica es causada por algún tipo de energía oscura, que hasta ahora no ha sido explicada. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond the Galaxy Energía oscura. Si intentas calcular la energía de punto cero o de vacío del Universo, obtienes un número ridículo: alrededor de Λ ~ (10^19 GeV) 4. Si alguna vez has oído hablar de personas que dicen que la predicción de la energía oscura es demasiado grande en alrededor de 120 órdenes de magnitud, aquí es donde obtienen ese número. Pero si reemplazas ese número de 10^19 GeV con la masa del neutrino, a 0.01 eV, obtienes un número que está alrededor de Λ ~ (0.01 eV) 4, que sale para coincidir con el valor que medimos casi exactamente. Esto no es una prueba de nada, pero es extremadamente sugerente. Cuando se rompe la simetría electrodébil, la combinación de infracción de CP y violación de número bariónico puede crear una asimetría de materia / antimateria donde no había ninguna antes, debido al efecto de las interacciones de esfaceles que trabajan en un exceso de neutrinos. Crédito de la imagen: Universidad de Heidelberg Una asimetría bariónica. Necesitamos una forma de generar más materia que la antimateria en el Universo temprano, y si tenemos este escenario alternativo, nos da una forma viable de hacerlo. Estos neutrinos de estado mixto pueden crear más leptones que antilepton a través del sector de neutrinos, dando lugar a una asimetría en todo el universo. Cuando se rompe la simetría electrodébil, una serie de interacciones conocidas como sphaleron pueden dar lugar a un universo con más bariones que leptones, ya que el número bariónico (B) y el número leptónico (L) no se conservan individualmente: solo la combinación B - L. Sea cual sea la asimetría de lepton con la que comiences, se convertirán en partes iguales de asimetría de bariones y leptones. Por ejemplo, si comienzas con una asimetría leptónica de X, estos sphalerons naturalmente te darán un Universo con una cantidad "extra" de protones y neutrones que equivalen a X / 2, mientras te dan esa misma cantidad de X / 2 de electrones y neutrinos conjunto. Cuando un núcleo experimenta una decadencia doble de neutrones, dos electrones y dos neutrinos se emiten de manera convencional. Si los neutrinos obedecen este mecanismo de sierra y son partículas de Majorana, la desintegración beta beta neutrinoless debería ser posible. Los experimentos están buscando activamente esto. Crédito de la imagen: Ludwig Niedermeier, Universitat Tubingen / GERDA Un nuevo tipo de descomposición: la desintegración beta doble neutrinoless. La idea teórica de una fuente para la materia oscura, la energía oscura y la asimetría del barión es fascinante, pero se necesita un experimento para detectarla. Hasta que no podamos medir directamente los neutrinos (y antineutrinos) que quedan del Big Bang, una hazaña que es prácticamente imposible debido a la baja sección transversal de estos neutrinos de baja energía, no sabremos cómo probar si los neutrinos tienen estos propiedades (Majorana) o no (Dirac). Pero si ocurre una desintegración beta doble que no emite neutrinos, sabremos que los neutrinos tienen estas propiedades (Majorana) después de todo, y todo esto de repente podría ser real. El experimento GERDA, hace una década, colocó las restricciones más fuertes sobre la desintegración beta doble sin neutrinos en ese momento. El experimento MAJORANA, que se muestra aquí, tiene el potencial de detectar finalmente esta rara descomposición. Si existe, podría indicar una revolución en la física de partículas. Crédito de la imagen: El Experimento de Decaimiento Doble Beta Neutrinoless de MAJORANA / Universidad de Washington Quizás, irónicamente, el mayor avance en la física de partículas -un gran avance más allá del Modelo Estándar- podría no provenir de nuestros mejores experimentos y detectores de altas energías, sino de un aspecto humilde y paciente de una decadencia ultra rara. Hemos restringido la desintegración beta beta sin neutrinos a tener una vida útil de más de 2 × 1025 años, pero la próxima década o dos de los experimentos deberían medir esta disminución, si es que existe. Hasta ahora, los neutrinos son la única pista de física de partículas más allá del Modelo Estándar. Si la desintegración doble beta sin neutrinos resulta ser real, podría ser el futuro de la física fundamental. Podría resolver las preguntas cósmicas más grandes que afectan a la humanidad hoy en día. Nuestra única opción es mirar. Si la naturaleza es amable con nosotros, el futuro no será supersimetría, dimensiones adicionales o teoría de cuerdas. Es posible que tengamos una revolución de neutrinos en nuestras manos. El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros. With a little help from Google Translate for Business