El equipo de CUORE pone nuevos límites al extraño comportamiento de los neutrinos

Los científicos de CUORE, el Dr. Paulo Gorla (LNGS, izquierda) y la Dra. Lucia Canonica (MIT, derecha), inspeccionan los sistemas criogénicos de CUORE. (crédito: Yuri Suvorov y colaboración CUORE)

En un laboratorio bajo una montaña, Los físicos están utilizando cristales mucho más fríos que el aire congelado para estudiar partículas fantasmales, con la esperanza de aprender secretos del comienzo del universo. Investigadores del Observatorio Criogénico Subterráneo de Sucesos Raros (CUORE) anunciaron esta semana que han puesto algunos de los límites más estrictos hasta ahora sobre la extraña posibilidad de que un neutrino sea su antipartícula. Los neutrinos son partículas muy inusuales, tan etéreas y ubicuas que pasan regularmente por nuestro cuerpo sin que nos demos cuenta. CUORE ha pasado los últimos tres años esperando pacientemente para ver evidencia de un proceso de descomposición nuclear distinto, que solo es posible si los neutrinos y los antineutrinos son las mismas partículas. Los nuevos datos de CUORE muestran que esta descomposición no ocurre durante billones de billones de años, si es que ocurre. Las limitaciones de CUORE en el comportamiento de estos diminutos fantasmas son una parte importante de la búsqueda del próximo avance en la física de partículas y nuclear, y la búsqueda de nuestros propios orígenes.

«En última instancia, estamos tratando de comprender la composición del material», dijo Carlo Pucci, investigador del Laboratori Nazionale del Gran Sasso (LNGS) en Italia y portavoz de CUORE. «Estamos buscando un proceso que viole la simetría fundamental de la naturaleza», agregó Roger Huang, investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Laboratorio de Berkeley) y uno de los autores principales del nuevo estudio.

CUORE – Italiano para «corazón» – se encuentra entre los experimentos con neutrinos más sensibles del mundo. Los nuevos hallazgos de CUORE se basan en un conjunto de datos 10 veces más grande que cualquier otra investigación de alta resolución, recopilados durante los últimos tres años. CUORE es operado por una colaboración de investigación internacional, dirigida por el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italia y el Laboratorio Berkeley en los Estados Unidos. El detector CUORE en sí está ubicado debajo de casi una milla de roca dura en LNGS, una instalación de INFN. Los físicos nucleares apoyados por el Departamento de Energía de EE. UU. están desempeñando un papel científico y técnico de liderazgo en este experimento. Los nuevos resultados de CUORE fueron Publicado hoy en Nature.

partículas extrañas

Los neutrinos están en todas partes: hay billones de neutrinos que atraviesan el microcosmos por su cuenta mientras lee esta oración. Es invisible para las dos fuerzas más poderosas del universo, el electromagnetismo y la fuerza nuclear fuerte, que le permiten atravesarlo a usted, la Tierra y casi cualquier otra cosa sin interactuar. A pesar de su gran número, su naturaleza enigmática los hace extremadamente difíciles de estudiar y han dejado desconcertados a los físicos desde que se postularon por primera vez hace más de 90 años. Ni siquiera se sabía si los neutrinos tenían alguna masa hasta finales de la década de 1990; resulta que la tienen, aunque no mucha.

READ  Una hermosa galaxia espiral vista por el Telescopio Hubble en una nueva imagen

Una de las muchas preguntas que quedan sobre los neutrinos es si son o no sus antipartículas. Todas las partículas contienen antipartículas, su propia contraparte de la antimateria: los electrones contienen antielectrones (positrones), los quarks contienen antiquarks, los neutrones y los protones (que forman los núcleos de los átomos) contienen antineutrones y antiprotones. Pero a diferencia de todas estas partículas, teóricamente es posible que los neutrinos sean antipartículas. Estas partículas, que son sus antipartículas, fueron formuladas por primera vez por el físico italiano Ettore Majorana en 1937 y se conocen como fermiones de Majorana.

Si los neutrinos son fermiones de Majorana, eso puede explicar una pregunta profunda sobre el origen de nuestra existencia: ¿Por qué existen? Mucha más materia que antimateria en el universo. Los neutrinos y los electrones son ambos leptones, un tipo de partícula fundamental. Una de las leyes fundamentales de la naturaleza parece ser que el número de leptones siempre se conserva: si un proceso crea un leptón, también debe crear un antileptón para equilibrarlo. De manera similar, las partículas como los protones y los neutrones se conocen como bariones, y el número bariónico también parece estar conservado. Sin embargo, si los números de bariones y leptones se mantuvieran siempre, habría exactamente la misma cantidad de materia en el universo que de antimateria, y al comienzo del universo, la materia y la antimateria se habrían unido y no existiríamos. Algo debe violar la delicada conservación de bariones y leptones. Entra el neutrino: si los neutrinos fueran su antipartícula, el número de leptones no tendría que ser memorizado, y nuestra existencia se vuelve menos misteriosa.

«La asimetría de la materia y la antimateria en el universo aún no se explica», dijo Huang. «Si los neutrinos son sus antipartículas, eso podría ayudar a explicarlos».

Esta no es la única pregunta que puede responder un neutrino de Majorana. La extrema ligereza de los neutrinos, aproximadamente un millón de veces más ligeros que un electrón, ha desconcertado a los físicos de partículas durante mucho tiempo. Pero si los neutrinos son sus antipartículas, una solución actual conocida como «mecanismo de oscilación» podría explicar la ligereza de los neutrinos de una manera elegante y natural.

El detector CUORE está instalado en el criostato

El detector CUORE está instalado en el criostato. (Colaboración de Yuri Suvorov y CUORE)

Dispositivo raro para decaimiento raro

Pero determinar si los neutrinos son sus antipartículas es complicado, precisamente porque no interactúan mucho. La mejor herramienta para que los físicos busquen neutrinos de Majorana es un tipo hipotético de desintegración radiactiva llamada desintegración doble beta libre de neutrones. La desintegración beta es una forma bastante común de desintegración en algunos átomos, convirtiendo un neutrón en el núcleo de un átomo en un protón, cambiando el elemento químico del átomo y emitiendo un electrón y un antineutrino en el proceso. La desintegración doble beta es aún más rara: en lugar de que un neutrón se convierta en un protón, dos de ellos emiten dos electrones y dos antineutrinos. Pero si el neutrino fuera un fermión de Majorana, entonces, en teoría, eso permitiría que un solo neutrino «virtual», actuando como su propia antipartícula, reemplazara a ambos antineutrinos en la desintegración doble beta. Solo los dos electrones lo sacarán del núcleo de un átomo. La desintegración beta doble libre de neutrinos se ha teorizado durante décadas, pero nunca se ha visto.

READ  Un brazo robótico similar a una herramienta de inspección se dirige a la Estación Espacial Internacional

El experimento CUORE hizo todo lo posible para capturar átomos de telurio mientras se producía esta descomposición. El experimento utiliza casi mil cristales de óxido de telurio de alta pureza, que en conjunto pesan más de 700 kg. Esta cantidad de telurio es necesaria porque, en promedio, se necesitan miles de millones de veces más que la vida actual del universo para que un solo átomo inestable de telurio sufra una desintegración doble beta normal. Pero hay trillones de trillones de átomos de telurio en cada uno de los cristales que utiliza CUORE, lo que significa que la desintegración beta doble normal ocurre con bastante regularidad en el reactivo, unas pocas veces al día en cada cristal. La desintegración beta doble libre de neutrinos, si es que ocurre, es mucho más rara, por lo que el equipo de CUORE debe trabajar duro para eliminar tantas fuentes de radiación de fondo como sea posible. Para proteger el detector de los rayos cósmicos, todo el sistema está ubicado bajo el Gran Sasso, la montaña más grande de la península italiana. Varias toneladas de plomo proporcionan un mayor blindaje. Pero el plomo recién extraído es ligeramente radiactivo debido a la contaminación con uranio y otros elementos, y esa radiactividad disminuye con el tiempo, por lo que el plomo utilizado para encerrar la parte más sensible del CUORE es principalmente plomo recuperado de un antiguo barco romano hundido, hace casi 2000 años. años.

Quizás la pieza de maquinaria más impresionante utilizada en el CUORE es el criostato, que mantiene frío el detector. Para detectar la desintegración beta doble libre de neutrones, la temperatura de cada cristal en el detector CUORE se controla cuidadosamente con sensores capaces de detectar un cambio de temperatura de hasta una diezmilésima de grado Celsius. La desintegración beta doble libre de neutrinos tiene una firma de energía definida y elevaría la temperatura de un solo cristal en una cantidad bien definida y reconocible. Pero para mantener esta sensibilidad, el detector debe mantenerse muy frío; en concreto, se mantiene alrededor de 10 miliKelvin, una centésima de grado por encima del cero absoluto. «Este es el El metro cúbico más frío del universo conocidodijo Laura Marini, investigadora del Instituto de Ciencias Gran Sasso y coordinadora operativa de CUORE. La sensibilidad resultante del detector es verdaderamente excepcional. «Cuando ocurrieron grandes terremotos en Chile y Nueva Zelanda, vimos destellos de ellos en nuestro detector», dijo Marini. También podemos ver las olas rompiendo en la orilla del mar Adriático, a 60 kilómetros de distancia. Esta señal aumenta en invierno, cuando hay tormentas”.

READ  Los antisépticos pueden ayudar a que las bacterias se vuelvan resistentes

Neutrinos a través del núcleo

A pesar de esta enorme sensibilidad, CUORE aún no ha visto evidencia de desintegración doble beta sin neutrinos. En cambio, CUORE demostró que, en promedio, esta descomposición de un solo átomo de telurio ocurre no más de una vez cada 22 billones de años. dijo Danielle Speller, profesora asistente en la Universidad Johns Hopkins y miembro del Consejo de Física CUORE. «Es posible que CUORE no sea lo suficientemente sensible para detectar este decaimiento, incluso si lo hace, pero es importante verificarlo. La física a veces produce resultados sorprendentes, y ahí es cuando aprendemos más». decaimiento beta, Allana el camino para la próxima generación de experimentos. El sucesor de CUORE, la actualización de CUORE con identificación de partículas (CUPID) ya está en proceso. CUPID será 10 veces más sensible que CUORE, lo que puede permitirle vislumbrar evidencia de un neutrino Majorana.

Pero, por encima de todo, CUORE es una victoria científica y tecnológica, no solo por su nueva frontera en la tasa de desintegración beta doble libre de neutrones, sino también por su prueba de tecnología de criostatos. “Es el refrigerador más grande de su tipo en el mundo”, dijo Paulo Gorla, científico de LNGS y coordinador técnico de CUORE. «Y se ha mantenido en 10 miliKelvin continuamente durante tres años». Esta tecnología tiene aplicaciones más allá de la física de partículas básica. Específicamente, puede encontrar su uso en la computación cuántica, donde mantener grandes cantidades de máquinas lo suficientemente frías y protegidas de la radiación ambiental para la manipulación a nivel cuántico es uno de los principales desafíos de ingeniería en el campo.

Mientras tanto, CUORE aún no ha sido finalizado. «Operaremos hasta 2024», dijo Bucci. «Estoy emocionado de ver lo que encontramos».

CUORE cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., el Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear (Instituto Nazionale di Fisica Nucleare, o INFN) y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). Los miembros de la colaboración CUORE incluyen: INFN, Universidad de Bolonia, Universidad de Génova, Universidad de Milán Bicocca, Universidad de Sapienza en Italia; Universidad Estatal Politécnica de California, San Luis Obispo; Laboratorio Berkeley, Universidad Johns Hopkins; Laboratorio Nacional Lawrence Livermore; Instituto de Tecnología de Massachusetts; Universidad de California, Berkeley; Universidad de California, Los Angeles; Universidad de Carolina del Sur; Instituto Politécnico y Universidad Estatal de Virginia; y la Universidad de Yale en los Estados Unidos. el Centro Saclay de Investigación Nuclear (CEA) y el Laboratorio Irene Joliot-Curie (CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay) en Francia; y la Universidad de Fudan y la Universidad de Shanghai Jiao Tong en China.

/Liberación General. Este material de la(s) organización(es) original(es) puede ser de un punto en el tiempo y está editado para mayor claridad, estilo y extensión. Las opiniones y opiniones expresadas son las del autor (es). Muéstralo completo aquí.

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *