Neutrino

Un neutrino (nuevo-ÁRBOL-noh; denotado por la letra griega ν) es un fermión (una partícula elemental con giro de 1/2) que interactúa solo a través de la interacción débil y la gravedad. El neutrino se llama así porque es eléctricamente neutro y porque su masa en reposo es tan pequeña (-ino) que durante mucho tiempo se pensó que era cero. La masa en reposo del neutrino es mucho más pequeña que la de las otras partículas elementales conocidas, excluyendo las partículas sin masa. La fuerza débil tiene un alcance muy corto, la interacción gravitatoria es extremadamente débil debido a la masa muy pequeña del neutrino y los neutrinos no participan en la interacción fuerte. Por lo tanto, los neutrinos suelen pasar a través de la materia normal sin obstáculos ni detección.

Las interacciones débiles crean neutrinos en uno de los tres sabores leptónicos: neutrinos electrónicos (
_{< /sub>}ν
_e), neutrinos muónicos (
ν
_μ), o neutrinos tau (
ν
_τ), en asociación con el leptón cargado correspondiente. Aunque durante mucho tiempo se creyó que los neutrinos no tenían masa, ahora se sabe que hay tres masas discretas de neutrinos con diferentes valores diminutos, pero las tres masas no corresponden únicamente a los tres sabores. Un neutrino creado con un sabor específico es una mezcla específica de los tres estados de masa (una superposición cuántica). Al igual que algunas otras partículas neutras, los neutrinos oscilan entre diferentes sabores en vuelo como consecuencia. Por ejemplo, un neutrino electrónico producido en una reacción de desintegración beta puede interactuar en un detector distante como un neutrino muón o tau. Los tres valores de masa aún no se conocen a partir de 2022, pero los experimentos de laboratorio y las observaciones cosmológicas han determinado las diferencias de sus cuadrados, un límite superior en su suma (< 2.14×10⁻³⁷ kg), y un límite superior en la masa del neutrino electrónico.

Para cada neutrino, también existe una antipartícula correspondiente, llamada antineutrino, que también tiene un espín de 1 /2 y sin carga eléctrica. Los antineutrinos se distinguen de los neutrinos por tener un número de leptones de signo opuesto y un isospín débil, y una quiralidad dextrógira en lugar de levógira. Para conservar el número total de leptones (en la desintegración beta nuclear), los neutrinos electrónicos solo aparecen junto con positrones (antielectrones) o antineutrinos electrónicos, mientras que los antineutrinos electrónicos solo aparecen con electrones o neutrinos electrónicos.

Los neutrinos son creados por varias desintegraciones radiactivas; la siguiente lista no es exhaustiva, pero incluye algunos de esos procesos:

• decaimiento beta de núcleos atómicos o hadrones,
• reacciones nucleares naturales como las que tienen lugar en el núcleo de una estrella
• reacciones nucleares artificiales en reactores nucleares, bombas nucleares o aceleradores de partículas
• durante una supernova
• durante la spin-down de una estrella de neutrones
• cuando rayos cósmicos o rayos de partículas aceleradas golpean los átomos.

La mayoría de los neutrinos que se detectan en la Tierra provienen de reacciones nucleares dentro del Sol. En la superficie de la Tierra, el flujo es de aproximadamente 65 mil millones (6.5×10¹⁰) neutrinos solares, por segundo por centímetro cuadrado. Los neutrinos se pueden utilizar para la tomografía del interior de la tierra.

Historia

La propuesta de Pauli

El neutrino fue postulado por primera vez por Wolfgang Pauli en 1930 para explicar cómo la desintegración beta podría conservar la energía, el momento y el momento angular (espín). En contraste con Niels Bohr, quien propuso una versión estadística de las leyes de conservación para explicar los espectros de energía continuos observados en la desintegración beta, Pauli planteó la hipótesis de una partícula no detectada a la que llamó 'neutrón', usando el mismo Terminación -on empleada para nombrar tanto al protón como al electrón. Consideró que la nueva partícula fue emitida desde el núcleo junto con el electrón o partícula beta en el proceso de desintegración beta y tenía una masa similar a la del electrón.

James Chadwick descubrió una partícula nuclear neutra mucho más masiva en 1932 y también la llamó neutrón, dejando dos tipos de partículas con el mismo nombre. La palabra "neutrino" entró en el vocabulario científico a través de Enrico Fermi, quien lo utilizó durante una conferencia en París en julio de 1932 y en la Conferencia de Solvay en octubre de 1933, donde también lo empleó Pauli. El nombre (el equivalente italiano de "pequeño neutral") fue acuñado en broma por Edoardo Amaldi durante una conversación con Fermi en el Instituto de Física de via Panisperna en Roma, para distinguir esta partícula neutra ligera de Chadwick& #39;neutrón pesado.

En la teoría de la desintegración beta de Fermi, la gran partícula neutra de Chadwick podría decaer en un protón, un electrón y la partícula neutra más pequeña (ahora llamada antineutrino electrónico):

n⁰
→
p⁺
+
e⁻
+
.
_e

El artículo de Fermi, escrito en 1934, unificó el neutrino de Pauli con el positrón de Paul Dirac y el modelo neutrón-protón de Werner Heisenberg y proporcionó una base teórica sólida para el trabajo experimental futuro.. La revista Nature rechazó el artículo de Fermi, diciendo que la teoría estaba "demasiado alejada de la realidad". Envió el artículo a una revista italiana, que lo aceptó, pero la falta general de interés en su teoría en esa fecha le hizo cambiar a la física experimental.

En 1934, había pruebas experimentales en contra de la idea de Bohr de que la conservación de la energía no es válida para la desintegración beta: en la conferencia de Solvay de ese año, se informaron mediciones de los espectros de energía de las partículas beta (electrones), lo que demuestra que hay un límite estricto en la energía de los electrones de cada tipo de desintegración beta. No se espera tal límite si la conservación de la energía no es válida, en cuyo caso cualquier cantidad de energía estaría estadísticamente disponible en al menos unas pocas desintegraciones. La explicación natural del espectro de desintegración beta tal como se midió por primera vez en 1934 fue que solo se disponía de una cantidad limitada (y conservada) de energía, y una nueva partícula a veces tomaba una fracción variable de esta energía limitada, dejando el resto para la partícula beta.. Pauli aprovechó la ocasión para enfatizar públicamente que el "neutrino" debe ser una partícula real. La primera evidencia de la realidad de los neutrinos llegó en 1938 a través de mediciones simultáneas en la cámara de nubes del electrón y el retroceso del núcleo.

Detección directa

Fred Reines y Clyde Cowan llevando a cabo el experimento neutrino c. 1956

En 1942, Wang Ganchang propuso por primera vez el uso de la captura beta para detectar neutrinos de forma experimental. En la edición del 20 de julio de 1956 de Science, Clyde Cowan, Frederick Reines, Francis B. "Kiko" Harrison, Herald W. Kruse y Austin D. McGuire publicaron la confirmación de que habían detectado el neutrino, un resultado que fue recompensado casi cuarenta años después con el Premio Nobel de 1995.

En este experimento, ahora conocido como experimento de neutrinos de Cowan-Reines, los antineutrinos creados en un reactor nuclear por desintegración beta reaccionaron con protones para producir neutrones y positrones:

.
_e +
p⁺
→
n⁰
+
e⁺

El positrón encuentra rápidamente un electrón y se aniquilan entre sí. Los dos rayos gamma resultantes (γ) son detectables. El neutrón puede ser detectado por su captura en un núcleo apropiado, liberando un rayo gamma. La coincidencia de ambos eventos, la aniquilación de positrones y la captura de neutrones, da una firma única de una interacción antineutrino.

En febrero de 1965, un grupo que incluía a Jacques Pierre Friederich (Friedel) Sellschop identificó el primer neutrino encontrado en la naturaleza. El experimento se realizó en una cámara especialmente preparada a una profundidad de 3 km en la mina de oro East Rand (ERPM) cerca de Boksburg, Sudáfrica. Una placa en el edificio principal conmemora el descubrimiento. Los experimentos también implementaron una astronomía primitiva de neutrinos y analizaron cuestiones de física de neutrinos e interacciones débiles.

Sabor a neutrino

El antineutrino descubierto por Cowan y Reines era la antipartícula del neutrino electrónico.

En 1962, Lederman, Schwartz y Steinberger demostraron que existe más de un tipo de neutrino al detectar primero las interacciones del neutrino muón (ya formulado como hipótesis con el nombre neutretto), lo que les valió el Premio Nobel de Física de 1988.

Cuando se descubrió el tercer tipo de leptón, el tau, en 1975 en el Centro Acelerador Lineal de Stanford, también se esperaba que tuviera un neutrino asociado (el neutrino tau). La primera evidencia de este tercer tipo de neutrino provino de la observación de la energía y el momento faltantes en las desintegraciones tau análogas a la desintegración beta que condujo al descubrimiento del neutrino electrónico. La primera detección de interacciones de neutrinos tau fue anunciada en 2000 por la colaboración DONUT en Fermilab; su existencia ya había sido inferida tanto por la consistencia teórica como por los datos experimentales del Gran Colisionador de Electrones y Positrones.

Problema de neutrinos solares

En la década de 1960, el ahora famoso experimento Homestake realizó la primera medición del flujo de neutrinos electrónicos provenientes del núcleo del Sol y encontró un valor que estaba entre un tercio y la mitad del número predicho por el Modelo Solar Estándar.. Esta discrepancia, que se conoció como el problema del neutrino solar, permaneció sin resolver durante unos treinta años, mientras se investigaban posibles problemas tanto con el experimento como con el modelo solar, pero no se pudo encontrar ninguno. Eventualmente, se dio cuenta de que ambos eran correctos y que la discrepancia entre ellos se debía a que los neutrinos eran más complejos de lo que se suponía anteriormente. Se postuló que los tres neutrinos tenían masas distintas de cero y ligeramente diferentes y, por lo tanto, podían oscilar en sabores indetectables en su vuelo a la Tierra. Esta hipótesis fue investigada por una nueva serie de experimentos, abriendo así un nuevo campo importante de investigación que aún continúa. La eventual confirmación del fenómeno de la oscilación de neutrinos condujo a dos premios Nobel, a R. Davis, quien concibió y dirigió el experimento de Homestake, y a A.B. McDonald, quien dirigió el experimento SNO, que pudo detectar todos los sabores de neutrinos y no encontró ningún déficit.

Oscilación

Bruno Pontecorvo sugirió por primera vez un método práctico para investigar las oscilaciones de neutrinos en 1957 utilizando una analogía con las oscilaciones de kaón; durante los siguientes 10 años, desarrolló el formalismo matemático y la formulación moderna de las oscilaciones del vacío. En 1985, Stanislav Mikheyev y Alexei Smirnov (ampliando el trabajo de 1978 de Lincoln Wolfenstein) notaron que las oscilaciones de sabor pueden modificarse cuando los neutrinos se propagan a través de la materia. Es importante comprender este llamado efecto Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein (efecto MSW) porque muchos neutrinos emitidos por la fusión en el Sol pasan a través de la materia densa en el núcleo solar (donde tiene lugar esencialmente toda la fusión solar) en su camino hacia los detectores. en la tierra.

A partir de 1998, los experimentos comenzaron a mostrar que los neutrinos solares y atmosféricos cambian de sabor (ver Super-Kamiokande y Sudbury Neutrino Observatory). Esto resolvió el problema de los neutrinos solares: los neutrinos electrónicos producidos en el Sol se habían transformado en parte en otros sabores que los experimentos no pudieron detectar.

Aunque los experimentos individuales, como el conjunto de experimentos con neutrinos solares, son consistentes con los mecanismos no oscilatorios de conversión del sabor de los neutrinos, tomados en conjunto, los experimentos con neutrinos implican la existencia de oscilaciones de neutrinos. Especialmente relevantes en este contexto son el experimento del reactor KamLAND y los experimentos del acelerador como MINOS. De hecho, el experimento KamLAND ha identificado las oscilaciones como el mecanismo de conversión del sabor de los neutrinos implicado en los neutrinos electrónicos solares. De manera similar, MINOS confirma la oscilación de los neutrinos atmosféricos y proporciona una mejor determinación de la división de la masa al cuadrado. Takaaki Kajita de Japón y Arthur B. McDonald de Canadá recibieron el Premio Nobel de Física 2015 por su hallazgo histórico, teórico y experimental, de que los neutrinos pueden cambiar de sabor.

Neutrinos cósmicos

Además de fuentes específicas, se espera que un nivel de fondo general de neutrinos impregne el universo, según la teoría, debido a dos fuentes principales.

Antecedentes cósmicos de neutrino (Big Bang originado)

Alrededor de 1 segundo después del Big Bang, los neutrinos se desacoplaron, dando lugar a un nivel de fondo de neutrinos conocido como fondo de neutrinos cósmicos (CNB).

Diffuse supernova neutrino background (Supernova originada)

R. Davis y M. Koshiba recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Física de 2002. Ambos realizaron un trabajo pionero en la detección de neutrinos solares, y el trabajo de Koshiba también resultó en la primera observación en tiempo real de neutrinos de la supernova SN 1987A en la cercana Gran Nube de Magallanes. Estos esfuerzos marcaron el comienzo de la astronomía de neutrinos.

SN 1987A representa la única detección verificada de neutrinos de una supernova. Sin embargo, muchas estrellas se han convertido en supernovas en el universo, dejando un teorizado fondo difuso de neutrinos de supernova.

Propiedades y reacciones

Los neutrinos tienen espín medio entero (1/2ħ); por lo tanto son fermiones. Los neutrinos son leptones. Solo se ha observado que interactúan a través de la fuerza débil, aunque se supone que también interactúan gravitacionalmente.

Sabor, masa y su mezcla

Las interacciones débiles crean neutrinos en uno de los tres sabores leptónicos: neutrinos electrónicos (
ν
_e), neutrinos muónicos (
ν
_μ), o neutrinos tau (
ν
_τ), asociado con los leptones cargados correspondientes, el electrón (
< /span>e⁻
), muon (< span style="display:inline-block;margin-bottom: -0.3em;vertical-align:0.8em;line-height:1.0em;font-size:80%;text-align:right">
μ⁻
) y tau (
τ ⁻
), respectivamente.

Aunque durante mucho tiempo se creyó que los neutrinos no tenían masa, ahora se sabe que hay tres masas discretas de neutrinos; cada estado de sabor de neutrino es una combinación lineal de los tres estados propios de masa discretos. Aunque solo se conocen las diferencias de los cuadrados de los tres valores de masa a partir de 2016, los experimentos han demostrado que estas masas son de pequeña magnitud. A partir de mediciones cosmológicas, se ha calculado que la suma de las masas de los tres neutrinos debe ser inferior a una millonésima parte de la del electrón.

Más formalmente, los estados propios de sabor de neutrino (combinaciones de creación y aniquilación) no son lo mismo que los estados propios de masa de neutrino (simplemente etiquetados como "1", "2" y " 3"). A partir de 2016, no se sabe cuál de estos tres es el más pesado. En analogía con la jerarquía de masas de los leptones cargados, la configuración en la que la masa 2 es más ligera que la masa 3 se denomina convencionalmente "jerarquía normal", mientras que en la "jerarquía invertida", lo contrario aguantaría Se están realizando varios esfuerzos experimentales importantes para ayudar a establecer cuál es el correcto.

Un neutrino creado en un estado propio de sabor específico se encuentra en una superposición cuántica específica asociada de los tres estados propios de masa. Las tres masas difieren tan poco que no es posible distinguirlas experimentalmente dentro de ninguna trayectoria de vuelo práctica. Se ha encontrado que la proporción de cada estado de masa en los estados de sabor puro producidos depende profundamente del sabor. La relación entre el sabor y los estados propios de masa está codificada en la matriz PMNS. Los experimentos han establecido valores de precisión moderados a bajos para los elementos de esta matriz, siendo la única fase compleja en la matriz poco conocida, a partir de 2016.

Una masa distinta de cero permite que los neutrinos tengan un momento magnético minúsculo; si es así, los neutrinos interactuarían electromagnéticamente, aunque nunca se ha observado tal interacción.

Oscilaciones de sabor

Los neutrinos oscilan entre diferentes sabores en vuelo. Por ejemplo, un neutrino electrónico producido en una reacción de desintegración beta puede interactuar en un detector distante como un neutrino muón o tau, según lo definido por el sabor del leptón cargado producido en el detector. Esta oscilación ocurre porque los tres componentes del estado de masa del sabor producido viajan a velocidades ligeramente diferentes, de modo que sus paquetes de ondas mecánicas cuánticas desarrollan cambios de fase relativos que cambian la forma en que se combinan para producir una superposición variable de tres sabores. Por lo tanto, cada componente de sabor oscila a medida que viaja el neutrino, y los sabores varían en intensidad relativa. Las proporciones relativas de sabor cuando el neutrino interactúa representan las probabilidades relativas de que ese sabor de interacción produzca el sabor correspondiente del leptón cargado.

Hay otras posibilidades en las que los neutrinos podrían oscilar incluso si no tuvieran masa: si la simetría de Lorentz no fuera una simetría exacta, los neutrinos podrían experimentar oscilaciones que violan Lorentz.

Efecto Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein

Los neutrinos que viajan a través de la materia, en general, pasan por un proceso análogo al de la luz que viaja a través de un material transparente. Este proceso no es directamente observable porque no produce radiación ionizante, pero da lugar al efecto RSU. Solo una pequeña fracción de la energía del neutrino se transfiere al material.

Antineutrinos

Para cada neutrino, también existe una antipartícula correspondiente, llamada antineutrino, que tampoco tiene carga eléctrica y espín medio entero. Se distinguen de los neutrinos por tener signos opuestos de número de leptones y quiralidad opuesta (y, en consecuencia, isospín débil de signo opuesto). A partir de 2016, no se ha encontrado evidencia de ninguna otra diferencia.

Hasta ahora, a pesar de las extensas y continuas búsquedas de excepciones, en todos los procesos leptónicos observados nunca ha habido ningún cambio en el número total de leptones; por ejemplo, si el número total de leptones es cero en el estado inicial, entonces el estado final solo tiene pares de leptones y antileptones coincidentes: los neutrinos electrónicos aparecen en el estado final junto con solo positrones (antielectrones) o antineutrinos electrónicos, y antineutrinos electrónicos con electrones o neutrinos electrónicos.

Los antineutrinos se producen en la desintegración beta nuclear junto con una partícula beta (en la desintegración beta, un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino). Todos los antineutrinos observados hasta ahora tenían helicidad hacia la derecha (es decir, solo se ha visto uno de los dos posibles estados de giro), mientras que todos los neutrinos eran hacia la izquierda.

Los antineutrinos se detectaron por primera vez como resultado de su interacción con los protones en un gran tanque de agua. Este se instaló junto a un reactor nuclear como fuente controlable de antineutrinos (ver el experimento de neutrinos de Cowan-Reines). Investigadores de todo el mundo han comenzado a investigar la posibilidad de usar antineutrinos para monitorear reactores en el contexto de la prevención de la proliferación de armas nucleares.

Masa Majorana

Debido a que los antineutrinos y los neutrinos son partículas neutras, es posible que sean la misma partícula. Las partículas que tienen esta propiedad se conocen como partículas de Majorana, en honor al físico italiano Ettore Majorana, quien fue el primero en proponer el concepto. Para el caso de los neutrinos, esta teoría ha ganado popularidad ya que puede usarse, en combinación con el mecanismo de balancín, para explicar por qué las masas de los neutrinos son tan pequeñas en comparación con las de otras partículas elementales, como los electrones o los quarks. Los neutrinos de Majorana tendrían la propiedad de que el neutrino y el antineutrino podrían distinguirse solo por la quiralidad; lo que los experimentos observan como una diferencia entre el neutrino y el antineutrino podría deberse simplemente a una partícula con dos posibles quiralidades.

A partir de 2019, no se sabe si los neutrinos son partículas Majorana o Dirac. Es posible probar esta propiedad experimentalmente. Por ejemplo, si los neutrinos son de hecho partículas de Majorana, entonces se permitirían los procesos que violan el número de leptones, como la desintegración doble beta sin neutrinos, mientras que no lo harían si los neutrinos son partículas de Dirac. Se han realizado y se están realizando varios experimentos para buscar este proceso, p. GERDA, EXO, SNO+, y CUORE. El fondo de neutrinos cósmicos también es una prueba de si los neutrinos son partículas Majorana, ya que debería haber un número diferente de neutrinos cósmicos detectados en el caso de Dirac o Majorana.

Reacciones nucleares

Los neutrinos pueden interactuar con un núcleo, cambiándolo a otro núcleo. Este proceso se utiliza en detectores de neutrinos radioquímicos. En este caso, los niveles de energía y los estados de espín dentro del núcleo objetivo deben tenerse en cuenta para estimar la probabilidad de una interacción. En general, la probabilidad de interacción aumenta con el número de neutrones y protones dentro de un núcleo.

Es muy difícil identificar de forma única las interacciones de neutrinos entre el fondo natural de radiactividad. Por esta razón, en los primeros experimentos se eligió un canal de reacción especial para facilitar la identificación: la interacción de un antineutrino con uno de los núcleos de hidrógeno en las moléculas de agua. Un núcleo de hidrógeno es un solo protón, por lo que las interacciones nucleares simultáneas, que ocurrirían dentro de un núcleo más pesado, no necesitan ser consideradas para el experimento de detección. Dentro de un metro cúbico de agua colocado justo afuera de un reactor nuclear, solo se pueden registrar relativamente pocas interacciones de este tipo, pero la configuración ahora se usa para medir la tasa de producción de plutonio del reactor.

Fisión inducida y otros eventos de desintegración

Al igual que los neutrones en los reactores nucleares, los neutrinos pueden inducir reacciones de fisión dentro de núcleos pesados. Hasta el momento, esta reacción no se ha medido en un laboratorio, pero se predice que ocurrirá dentro de estrellas y supernovas. El proceso afecta la abundancia de isótopos que se ven en el universo. La desintegración de núcleos de deuterio inducida por neutrinos se ha observado en el Observatorio de neutrinos de Sudbury, que utiliza un detector de agua pesada.

Tipos

Hay tres tipos conocidos (sabores) de neutrinos: neutrino electrónico
ν
_e, neutrino muón
ν
_μ y neutrino tau
ν
_τ, llamados así por sus leptones asociados en el modelo estándar (ver tabla a la derecha). La mejor medida actual del número de tipos de neutrinos proviene de la observación del decaimiento del bosón Z. Esta partícula puede decaer en cualquier neutrino ligero y su antineutrino, y los tipos más disponibles de neutrinos ligeros, más corta es la vida útil del bosón Z. Las mediciones del tiempo de vida de Z han demostrado que tres sabores de neutrinos ligeros se acoplan al Z. La correspondencia entre los seis quarks del modelo estándar y los seis leptones, entre ellos los tres neutrinos, sugiere a los físicos ' intuición de que debería haber exactamente tres tipos de neutrinos.

Investigación

Hay varias áreas de investigación activas que involucran al neutrino con aspiraciones de encontrar:

• los tres valores de masa neutrino
• el grado de violación del CP en el sector leptonico (que puede conducir a la leptogénesis)
• evidencia de la física que podría romper el Modelo Estándar de la física de partículas, como la descomposición de doble beta neutrinoless, que sería evidencia de violación de la conservación del número de lepton.

Detectores cerca de fuentes artificiales de neutrinos

Las colaboraciones científicas internacionales instalan grandes detectores de neutrinos cerca de reactores nucleares o en haces de neutrinos de aceleradores de partículas para restringir mejor las masas de neutrinos y los valores de la magnitud y las tasas de oscilaciones entre los sabores de neutrinos. Por lo tanto, estos experimentos buscan la existencia de una violación de CP en el sector de neutrinos; es decir, si las leyes de la física tratan o no a los neutrinos y antineutrinos de manera diferente.

El experimento KATRIN en Alemania comenzó a adquirir datos en junio de 2018 para determinar el valor de la masa del neutrino electrónico, con otros enfoques de este problema en las etapas de planificación.

Efectos gravitacionales

A pesar de sus diminutas masas, los neutrinos son tan numerosos que su fuerza gravitatoria puede influir en otra materia del universo.

Los tres sabores de neutrinos conocidos son los únicos candidatos para la materia oscura que son partículas elementales establecidas experimentalmente; específicamente, serían materia oscura caliente. Sin embargo, los tipos de neutrinos actualmente conocidos parecen descartarse esencialmente como una proporción sustancial de la materia oscura, según las observaciones del fondo cósmico de microondas. Todavía parece plausible que los neutrinos estériles más pesados puedan componer materia oscura cálida, si es que existen.

Búsquedas de neutrinos estériles

Otros esfuerzos buscan evidencia de un neutrino estéril: un cuarto sabor de neutrino que no interactuaría con la materia como los tres sabores de neutrinos conocidos. La posibilidad de neutrinos estériles no se ve afectada por las medidas de desintegración del bosón Z descritas anteriormente: si su masa es mayor que la mitad de la masa del bosón Z, no podrían ser un producto de desintegración. Por lo tanto, los neutrinos pesados estériles tendrían una masa de al menos 45,6 GeV.

De hecho, la existencia de tales partículas se insinúa en los datos experimentales del experimento LSND. Por otro lado, el experimento MiniBooNE actualmente en ejecución sugirió que no se requieren neutrinos estériles para explicar los datos experimentales, aunque las últimas investigaciones en esta área están en curso y las anomalías en los datos de MiniBooNE pueden permitir tipos de neutrinos exóticos, incluidos los neutrinos estériles.. Un nuevo análisis de los datos de espectros de electrones de referencia del Institut Laue-Langevin en 2011 también insinuó un cuarto neutrino ligeramente estéril. Impulsados por los hallazgos de 2011, varios experimentos a distancias muy cortas de los reactores nucleares han buscado neutrinos estériles desde entonces. Si bien la mayoría de ellos pudieron descartar la existencia de un neutrino estéril ligero, los resultados son en general ambiguos.

Según un análisis publicado en 2010, los datos de la sonda de anisotropía de microondas de Wilkinson sobre la radiación cósmica de fondo son compatibles con tres o cuatro tipos de neutrinos.

Búsquedas de desintegración doble beta sin neutrinos

Otra hipótesis se refiere a la 'desintegración beta doble sin neutrinos', que, de existir, violaría la conservación del número de leptones. Se están realizando búsquedas de este mecanismo, pero aún no se han encontrado pruebas de ello. Si lo fueran, entonces lo que ahora se llama antineutrinos no podrían ser verdaderas antipartículas.

Neutrinos de rayos cósmicos

Los experimentos con neutrinos de rayos cósmicos detectan neutrinos del espacio para estudiar tanto la naturaleza de los neutrinos como las fuentes cósmicas que los producen.

Velocidad

Antes de que se descubriera que los neutrinos oscilaban, generalmente se suponía que carecían de masa y se propagaban a la velocidad de la luz (c). Según la teoría de la relatividad especial, la cuestión de la velocidad de los neutrinos está estrechamente relacionada con su masa: si los neutrinos no tienen masa, deben viajar a la velocidad de la luz, y si tienen masa, no pueden alcanzar la velocidad de la luz. Debido a su pequeña masa, la velocidad predicha es extremadamente cercana a la velocidad de la luz en todos los experimentos y los detectores de corriente no son sensibles a la diferencia esperada.

Además, hay algunas variantes de la gravedad cuántica que violan Lorentz y que podrían permitir neutrinos más rápidos que la luz. Un marco integral para las violaciones de Lorentz es la Extensión del modelo estándar (SME).

Las primeras mediciones de la velocidad de los neutrinos se realizaron a principios de la década de 1980 utilizando haces de piones pulsados (producidos por haces de protones pulsados que golpean un objetivo). Los piones se desintegraron produciendo neutrinos, y las interacciones de neutrinos observadas dentro de una ventana de tiempo en un detector a distancia fueron consistentes con la velocidad de la luz. Esta medición se repitió en 2007 utilizando los detectores MINOS, que encontraron que la velocidad de los neutrinos 3 GeV era, con un nivel de confianza del 99 %, en el rango entre 0.999976 c y 1.000126 c. El valor central de 1.000051 < span class="texhtml mvar" style="font-style:italic;">c es más alta que la velocidad de la luz pero, teniendo en cuenta la incertidumbre, también es consistente con una velocidad de exactamente c o un poco menos. Esta medida estableció un límite superior para la masa del neutrino muón en 50 MeV con un 99 % de confianza. Después de actualizar los detectores del proyecto en 2012, MINOS perfeccionó su resultado inicial y encontró coincidencia con la velocidad de la luz, con una diferencia en el tiempo de llegada de los neutrinos y la luz de −0,0006 % (±0,0012 %).

Se hizo una observación similar, a una escala mucho mayor, con la supernova 1987A (SN 1987A). Se detectaron antineutrinos con una energía de 10 MeV de la supernova dentro de una ventana de tiempo que coincidía con la velocidad de la luz para los neutrinos. Hasta ahora, todas las mediciones de la velocidad de los neutrinos han sido consistentes con la velocidad de la luz.

Error de neutrino superlumínico

En septiembre de 2011, la colaboración OPERA publicó cálculos que mostraban velocidades de neutrinos de 17 GeV y 28 GeV que superaban la velocidad de la luz en sus experimentos. En noviembre de 2011, OPERA repitió su experimento con cambios para poder determinar la velocidad individualmente para cada neutrino detectado. Los resultados mostraron la misma velocidad más rápida que la luz. En febrero de 2012, surgieron informes de que los resultados pueden haber sido causados por un cable de fibra óptica suelto conectado a uno de los relojes atómicos que midió los tiempos de salida y llegada de los neutrinos. Una recreación independiente del experimento en el mismo laboratorio realizada por ICARUS no encontró ninguna diferencia perceptible entre la velocidad de un neutrino y la velocidad de la luz.

En junio de 2012, el CERN anunció que las nuevas mediciones realizadas por los cuatro experimentos Gran Sasso (OPERA, ICARUS, Borexino y LVD) encontraron una concordancia entre la velocidad de la luz y la velocidad de los neutrinos, lo que finalmente refutó la afirmación inicial de OPERA.

Masa

Timeline of neutrino mass measurements by different experiments.

El modelo estándar de física de partículas suponía que los neutrinos no tenían masa. El fenómeno experimentalmente establecido de la oscilación de neutrinos, que mezcla estados de sabor de neutrinos con estados de masa de neutrinos (análogamente a la mezcla de CKM), requiere que los neutrinos tengan masas distintas de cero. Los neutrinos masivos fueron concebidos originalmente por Bruno Pontecorvo en la década de 1950. Mejorar el marco básico para acomodar su masa es sencillo al agregar un Lagrangiano de mano derecha.

La determinación de la masa de los neutrinos se puede realizar de dos maneras, y algunas propuestas utilizan ambas:

• Si, al igual que otros fermions modelo estándar fundamentales, la masa es generada por el mecanismo Dirac, entonces el marco requeriría un componente derecho-chiral adicional que es un singlet SU(2). Este componente tendría las interacciones convencionales de Yukawa con el componente neutral del doblet de Higgs; pero, de lo contrario, no tendrían interacciones con partículas modelo estándar.
• O, de lo contrario, la masa puede ser generada por el mecanismo de Mallorca, que requeriría que el neutrino y el antineutrino sean la misma partícula.

El límite superior más fuerte en las masas de neutrinos proviene de la cosmología: el modelo del Big Bang predice que existe una relación fija entre el número de neutrinos y el número de fotones en el fondo cósmico de microondas. Si la energía total de los tres tipos de neutrinos excediera un promedio de 50 eV por neutrino, habría Habría tanta masa en el universo que colapsaría. Este límite se puede eludir suponiendo que el neutrino es inestable, pero existen límites dentro del modelo estándar que dificultan esta tarea. Una restricción mucho más estricta proviene de un análisis cuidadoso de los datos cosmológicos, como la radiación de fondo cósmico de microondas, los estudios de galaxias y el bosque Lyman-alfa. El análisis de datos del telescopio espacial de microondas WMAP encontró que la suma de las masas de las tres especies de neutrinos debe ser menor que 0,3 eV. En 2018, la colaboración de Planck publicó un límite más fuerte de 0.11 eV, que se obtuvo al combinar su CMB observaciones de intensidad total, polarización y lentes gravitacionales con mediciones de oscilación bariónica-acústica de estudios de galaxias y mediciones de supernovas de Pantheon. Un nuevo análisis de 2021 que agrega mediciones de distorsión espacial de corrimiento al rojo de la encuesta SDSS-IV eBOSS obtiene un límite superior aún más estricto de 0.09 eV . Sin embargo, varios telescopios terrestres con barras de error de tamaño similar a las de Planck prefieren valores más altos para la suma de masas de neutrinos, lo que indica cierta tensión en los conjuntos de datos.

El premio Nobel de Física 2015 fue otorgado a Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald por su descubrimiento experimental de las oscilaciones de neutrinos, que demuestra que los neutrinos tienen masa.

En 1998, los resultados de la investigación en el detector de neutrinos Super-Kamiokande determinaron que los neutrinos pueden oscilar de un sabor a otro, lo que requiere que tengan una masa distinta de cero. Si bien esto muestra que los neutrinos tienen masa, la escala absoluta de masa de neutrinos aún no se conoce. Esto se debe a que las oscilaciones de los neutrinos son sensibles solo a la diferencia de los cuadrados de las masas. A partir de 2020, el valor de mejor ajuste de la diferencia de los cuadrados de las masas de los estados propios de masa 1 y 2 es |Δm²
_{21< /sub>}| = 0.000074 eV ², mientras que para los autoestados 2 y 3 es |Δm²
₃₂ | = 0.00251 eV ². Dado que |Δm²
₃₂| es la diferencia de dos masas al cuadrado, al menos una de deben tener un valor que sea al menos la raíz cuadrada de este valor. Por lo tanto, existe al menos un estado propio de masa de neutrino con una masa de al menos 0,05 eV.

Se están realizando varios esfuerzos para determinar directamente la escala absoluta de masas de neutrinos en experimentos de laboratorio, especialmente mediante la desintegración beta nuclear. Los límites superiores de las masas efectivas de los neutrinos electrónicos provienen de las desintegraciones beta del tritio. El experimento de masa de neutrinos de Mainz estableció un límite superior de m < 2,2 eV/c² con un nivel de confianza del 95 %. Desde junio de 2018, el experimento KATRIN busca una masa entre 0,2 eV y 2 eV en desintegraciones de tritio. El límite superior de febrero de 2022 es m_ν < 0,8 eV c^–2 al 90 % de CL en combinación con una campaña anterior de KATRIN de 2019.

El 31 de mayo de 2010, los investigadores de OPERA observaron el primer evento candidato de neutrino tau en un haz de neutrino muón, la primera vez que se observaba esta transformación en neutrinos, proporcionando más evidencia de que tienen masa.

Si el neutrino es una partícula de Majorana, la masa puede calcularse encontrando la vida media de la desintegración doble beta sin neutrinos de ciertos núcleos. KamLAND-Zen ha establecido el límite superior más bajo actual de la masa Majorana del neutrino: 0,060–0,161 eV.

Tamaño

Dado que el neutrino es una partícula elemental, no tiene un tamaño en el mismo sentido que los objetos cotidianos: como todas las demás partículas fundamentales del Modelo Estándar, los neutrinos son puntuales, sin ancho ni volumen. Consecuencias de tener un "talla" convencional están ausentes: no hay una distancia mínima entre ellos, y los neutrinos no pueden condensarse en una sustancia uniforme separada que ocupa un volumen finito.

En cierto sentido, las partículas con masa tienen una longitud de onda (la longitud de onda Compton) que es útil para estimar sus secciones transversales para colisiones. Cuanto más pequeña es la masa de una partícula, mayor es su longitud de onda Compton. Según el límite superior de 0,161 eV/c2 dado anteriormente, la "onda de materia&# 34; de un neutrino sería del orden de al menos 200 nm (0,2 μm) o más, comparable a las longitudes de onda de la luz ultravioleta en las longitudes de onda UV más cortas (UVC). Esta longitud de onda extremadamente larga (para una partícula con masa) lleva a los físicos a sospechar que aunque los neutrinos siguen las estadísticas de Fermi, su comportamiento puede ser muy parecido al de una onda, haciéndolos parecer bosónicos y, por lo tanto, colocándolos cerca del límite entre partículas (fermiones). y ondas (bosones).

Quiralidad

Los resultados experimentales muestran que, dentro del margen de error, todos los neutrinos producidos y observados tienen helicidades hacia la izquierda (espines antiparalelos a los momentos) y todos los antineutrinos tienen helicidades hacia la derecha. En el límite sin masa, eso significa que solo se observa una de las dos quiralidades posibles para cualquiera de las partículas. Estas son las únicas quiralidades incluidas en el Modelo Estándar de interacciones de partículas.

Es posible que sus contrapartes (los neutrinos dextrógiros y los antineutrinos dextrógiros) simplemente no existan. Si existen, sus propiedades son sustancialmente diferentes de las de los neutrinos y antineutrinos observables. Se teoriza que son muy pesados (del orden de la escala GUT; ver Mecanismo de balancín), no participan en interacciones débiles (los llamados neutrinos estériles), o ambos.

La existencia de masas de neutrinos distintas de cero complica un poco la situación. Los neutrinos se producen en interacciones débiles como estados propios de quiralidad. La quiralidad de una partícula masiva no es una constante de movimiento; la helicidad lo es, pero el operador de quiralidad no comparte estados propios con el operador de helicidad. Los neutrinos libres se propagan como mezclas de estados de helicidad hacia la izquierda y hacia la derecha, con amplitudes de mezcla del orden de m_ν⁄E. Esto no afecta significativamente los experimentos, porque los neutrinos involucrados son casi siempre ultrarrelativistas y, por lo tanto, las amplitudes de mezcla son muy pequeñas. Efectivamente, viajan tan rápido y el tiempo pasa tan lentamente en sus marcos de reposo que no tienen tiempo suficiente para cambiar de ruta observable. Por ejemplo, la mayoría de los neutrinos solares tienen energías del orden de 0,100 MeV~1,00 MeV; en consecuencia, la fracción de neutrinos con "equivocada" la helicidad entre ellos no puede exceder de 10⁻¹⁰.

Anomalía GSI

Una serie inesperada de resultados experimentales sobre la tasa de desintegración de iones radiactivos pesados altamente cargados que circulan en un anillo de almacenamiento ha provocado actividad teórica en un esfuerzo por encontrar una explicación convincente. El fenómeno observado se conoce como anomalía GSI, ya que el anillo de almacenamiento es una instalación en el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados en Darmstadt, Alemania.

Se descubrió que las tasas de desintegración débil de dos especies radiactivas con vidas medias de aproximadamente 40 segundos y 200 segundos tenían una modulación oscilatoria significativa, con un período de aproximadamente 7 segundos. Como el proceso de decaimiento produce un neutrino electrónico, algunas de las explicaciones sugeridas para la tasa de oscilación observada proponen propiedades nuevas o alteradas del neutrino. Las ideas relacionadas con la oscilación del sabor se encontraron con escepticismo. Una propuesta posterior se basa en las diferencias entre los estados propios de masa de neutrinos.

Detección

Interés científico

Neutrinos' la baja masa y la carga neutra significan que interactúan extremadamente débilmente con otras partículas y campos. Esta característica de interacción débil interesa a los científicos porque significa que los neutrinos se pueden usar para sondear entornos en los que otras radiaciones (como la luz o las ondas de radio) no pueden penetrar.