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| Montaje de los electrodos en el espectrómetro principal del experimento KATRIN. Crédito: Joachim Wolf/KIT |
El experimento internacional KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment (KATRIN), situado en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), ha roto una importante barrera en la física de neutrinos que es relevante tanto para la física de partículas como para la cosmología. A partir de los datos publicados en la revista Nature Physics, se ha obtenido un nuevo límite superior de 0,8 electronvoltios (eV) para la masa del neutrino. Este primer avance en la escala de masa de los neutrinos por debajo de los eV mediante un método de laboratorio independiente del modelo permite a KATRIN acotar la masa de estos "pesos ligeros del universo" con una precisión sin precedentes.
Los neutrinos son posiblemente la partícula elemental más fascinante de nuestro universo. En la cosmología desempeñan un papel importante en la formación de estructuras a gran escala, mientras que en la física de partículas su masa, minúscula pero no nula, los distingue, apuntando a nuevos fenómenos físicos más allá de nuestras teorías actuales. Sin una medición de la escala de masa de los neutrinos, nuestra comprensión del universo seguirá siendo incompleta.
Este es el reto que ha asumido el experimento internacional KATRIN del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT), con socios de seis países, como la escala más sensible del mundo para los neutrinos. Utiliza la desintegración beta del tritio, un isótopo inestable del hidrógeno, para determinar la masa del neutrino a través de la distribución energética de los electrones liberados en el proceso de desintegración. Esto requiere un gran esfuerzo tecnológico: el experimento de 70 metros de largo alberga la fuente de tritio más intensa del mundo, así como un espectrómetro gigante para medir la energía de los electrones de desintegración con una precisión sin precedentes.
La alta calidad de los datos tras iniciar las mediciones científicas en 2019 ha mejorado continuamente en los últimos dos años. "KATRIN es un experimento con los más altos requisitos tecnológicos y ahora funciona como un reloj perfecto", se entusiasma Guido Drexlin (KIT), el líder del proyecto y uno de los dos coportavoces del experimento. Christian Weinheimer (Universidad de Münster), el otro coportavoz, añade que "el aumento de la tasa de señal y la reducción de la tasa de fondo fueron decisivos para el nuevo resultado".
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| El experimento KATRIN, de 70 metros de largo, con sus componentes principales: fuente de tritio, espectrómetro principal y detector Leonard Köllenberger/KATRIN Collaboration. Crédito: Leonard Köllenberger/KATRIN Collaboration |
Análisis de datos
El análisis en profundidad de estos datos exigía todo del equipo internacional de análisis dirigido por sus dos coordinadores, Susanne Mertens (Instituto Max Planck de Física y TU Munich) y Magnus Schlösser (KIT). Todos y cada uno de los efectos, por pequeños que fueran, tuvieron que ser investigados en detalle. "Sólo con este laborioso e intrincado método pudimos excluir un sesgo sistemático de nuestro resultado debido a procesos de distorsión. Estamos especialmente orgullosos de nuestro equipo de análisis, que asumió con éxito este enorme reto con gran compromiso", afirman los dos coordinadores del análisis.
Los datos experimentales del primer año de mediciones y la modelización basada en una masa de neutrinos desvanecida coinciden a la perfección: a partir de esto, se puede determinar un nuevo límite superior de la masa de neutrinos de 0,8 eV (Nature Physics, julio de 2021). Se trata de la primera vez que un experimento directo sobre la masa de los neutrinos entra en el rango de masas por debajo de los eV, importante desde el punto de vista cosmológico y de la física de partículas, donde se sospecha que se encuentra la escala de masa fundamental de los neutrinos. "La comunidad de físicos de partículas está entusiasmada porque KATRIN ha roto la barrera de los 1-eV", afirma el experto en neutrinos John Wilkerson (Universidad de Carolina del Norte, presidente de la junta directiva).
Susanne Mertens explica el camino hacia el nuevo récord: "Nuestro equipo en el MPP de Múnich ha desarrollado un nuevo método de análisis para KATRIN especialmente optimizado para los requisitos de esta medición de alta precisión. Esta estrategia se ha utilizado con éxito en los resultados anteriores y actuales. Mi grupo está muy motivado: Seguiremos afrontando los futuros retos del análisis KATRIN con nuevas ideas creativas y una precisión meticulosa".
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| Vista del espectrómetro principal del experimento KATRIN para determinar la masa del neutrino en el Campus Norte del KIT. Crédito: Markus Breig, KIT |
Las nuevas mediciones deberían mejorar la sensibilidad
Los coportavoces y coordinadores de análisis de KATRIN son muy optimistas respecto al futuro: "Las nuevas mediciones de la masa de neutrinos continuarán hasta finales de 2024. Para aprovechar todo el potencial de este experimento único, no sólo aumentaremos constantemente las estadísticas de los eventos de señal, sino que estamos desarrollando e instalando continuamente mejoras para reducir aún más la tasa de fondo."
El desarrollo de un nuevo sistema detector (TRISTAN) desempeña un papel específico en este sentido, ya que permitirá a KATRIN, a partir de 2025, embarcarse en la búsqueda de neutrinos "estériles" con masas en el rango de los kiloelectronvoltios, un candidato a la misteriosa materia oscura del cosmos que ya se ha manifestado en muchas observaciones astrofísicas y cosmológicas, pero cuya naturaleza físico-particular aún se desconoce.
La investigación se ha publicado en Nature Physics.
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