01/10/17 Original por Kathryn Jepsen
El asunto es mas complicado de lo que parece.
Los neutrinos son partículas elementales descubiertas por primera vez hace seis décadas.
A través de los años los científicos han aprendido varias cosas sorprendentes sobre ellos. Pero ellos han de responder aun algunas preguntas sobre cosas que podrían parecer básicas: Que tanto pesan los neutrinos? La respuesta podría ser la clave para entender la naturaleza de estas extrañas partículas y de nuestro Universo.
Para entender por que descubrir la masa de los neutrinos es un reto, primero debemos entender que hay mas de una manera detectar un neutrino.
Los neutrinos vienen en tres sabores: electrón, muon y tau. Cuando un neutrino pega en un detector de neutrinos, una partícula es producida y esta puede ser un electrón, un muon o un tau. Cuando usted captura un neutrino acompañado por un electrón, usted lo llama un neutrino electrón, y así sucesivamente.
Sabiendo esto, usted podría ser perdonado por pensar que hay tres tipos de neutrinos: neutrinos electrón, neutrinos muon y neutrinos tau. Pero esto es incorrecto en gran medida.
Esto es debido a que todo neutrino es actualmente una superposición cuántica de los tres sabores. Dependiendo de la energía del neutrino y en donde usted lo captura en su viaje, este tiene una diferente probabilidad de aparecer con un sabor característico.
Armado con este conocimiento adicional, usted podría ser perdonado por haber pensado eso, cuando todo se ha dicho y hecho es actualmente conocido que solo hay un tipo de neutrino. Pero esto es incluso menos acertado.
Los científicos cuentan tres tipos de neutrinos después de todo. Cada uno tiene diferente masa y es mezcla diferente de los tres sabores de neutrinos. Esos tipos de neutrinos son llamados tres estados de masa de los neutrinos.
Un problema pesado
Sabemos que las masas de esos tres tipos de neutrinos son pequeñas. Sabemos que el sabor de mezcla del primer estado de masa del neutrino es el mas pesado sabor electrón. Sabemos que el segundo mas pesado es una mezcla de electrón, muon y tau. Y sabemos que el tercero es en su mayoría muon y tau.
Sabemos que la masa de los primeros dos neutrinos es mas cercana que la del tercero es de otra especie extraña. Lo que no sabemos es si el tercero es mas ligero o mas pesado que los otros.
El asunto es si este tercer estado de masa es el mas pesado o el mas ligero estado de masa en problema de la jerarquía de masa de los neutrinos (orden de masa de los neutrinos)
Tan fácil como 1,2,3 —o 3,1,2?
Algunos modelos que unifican las tres fuerzas diferentes en el Modelo Estándar de la física de partículas predicen que el ordenamiento de masa de los neutrinos sigue el patrón 1, 2, 3 — que ellos llaman una jerarquía normal. Otros modelos predicen que el ordenamiento de masa seguirá el patrón 3, 1, 2 — una jerarquía invertida. Conociendo si la jerarquía es normal o invertida puede ayudar a los teóricos a responder otros interrogantes.
Por ejemplo, las cuatro fuerzas — la fuerte, la débil, la electromagnética y la gravitacional — gobiernan las interacciones de los mas pequeños bloques de construcción de la materia. Algunos teóricos piensan que, en el Universo primigenio, estas cuatro fuerzas estaban unidas en una sola fuerza. La mayoría de los teóricos que apoyan la unificación de fuerzas predicen una jerarquía normal de masa de los neutrinos.
Las mejores herramientas de los científicos actuales para determinar la jerarquía de masa de los neutrinos esta basada fuertemente en los experimentos, el mas notable es el llamado NOvA.
Arrastre de electrones
El detector NOvA, localizado en Minnesota cerca de la frontera con Canadá, estudia una haz de neutrinos que se origina en el Fermi National Accelerator Laboratory en Illinois.
Los neutrinos muy raramente, interactúan con cualquier materia. Estos haces viajan 500 millas en linea recta a través de la Tierra desde su fuente hasta el detector. En efecto, es importante que esto suceda así, debido a cómo ellos viajan, ellos pasan a través de trillones de electrones.
Esto afecta el sabor-electrón de los neutrinos — y solo el sabor-electrón de los neutrinos — haciéndole que ellos parezcan mas masivos. En donde el primer y segundo estados de masa contienen mas sabores electrón que el tercero, estas dos experiencias de las mas fuertes interacciones electrón cuando ellos se mueven a través de la Tierra.
Estas interacciones tienen diferentes efectos en neutrinos y antineutrinos — y así los efectos dependen de la jerarquía de masas. Si la jerarquía es normal, los neutrinos muon serán mas propensos a convertirse en neutrinos electrón, y así mismo los muon antineutrinos serán menos propensos a convertirse en antineutrinos electrón. Si la jerarquía esta invertida, lo opuesto sucederá.
Así si los científicos de NOvA observan esto, luego de viajar a través de millas de roca y tierra, mas neutrinos muon y menos antineutrinos muon que los esperados pues habrán cambiado sabores, esto sera una señal de que la jerarquía de masas es normal. Si ellos ven pocos neutrinos muon y mas antineutrinos muon los cuales habrán cambiado sabores, esto sera la señal de que la jerarquía de masas esta invertida.
El cambio es sutil. Esto tomara años de colectar información para obtener la primera pista de una respuesta. Otra mas corta linea de experimentación básica con neutrinos es TK2, que esta tomando medidas relacionadas. El experimento JUNO bajo construcción en China se dirige a medir la jerarquía de masas de una forma distinta. La medida definitiva probablemente no vendrá hasta la siguiente generación de experimentos básicos. El DUNE en los Estados Unidos y el propuesto experimento Hiper-Kamiokande en el Japón.
Los neutrinos son algunas de las partículas mas abundantes del Universo. Como lentamente vamos descubriendo sus secretos, ellos nos darán las claves acerca de como nuestro Universo funciona.