8 es un hito importante en la medición de la masa de neutrinos. Los neutrinos son partículas subatómicas esquivas que atraviesan sin esfuerzo la materia ordinaria y desempeñan un papel importante en las partículas que componen nuestro universo. Para explicar completamente cómo se formó nuestro universo, necesitamos conocer su masa. Pero, como muchos de nosotros, está encontrando maneras de evitar que lo pesen.
En 2022, el equipo de investigación de KATRIN determinó un límite superior de cuán masivo podría ser un neutrino. Este logro histórico fue el resultado de décadas de arduo trabajo. Pero estos resultados sólo reducen la ventana de búsqueda. KATRIN pronto alcanzará e incluso algún día superará su límite de detección objetivo, pero los neutrinos de peso pluma pueden ser aún más livianos, lo que plantea la pregunta: "¿Qué sigue? ¿Qué sigue?"
TA GPH12La espectroscopia de emisión radiativa de ciclotrón (CRES) que se ve aquí es la clave para un enfoque completamente nuevo destinado a determinar la masa del esquivo neutrino. Fuente: Alec Lindemann, equipo del Proyecto 8
Seguimiento de partículas fantasma
En el último estudio, el equipo del Proyecto 8 informa en la revista Physical Review Letters que pueden utilizar una técnica completamente nueva para rastrear y registrar de manera confiable una Fenómeno natural llamado desintegración beta. Cuando una rara variante radiactiva del hidrógeno, el tritio, se desintegra en tres partículas subatómicas: iones de helio, electrones y neutrinos, cada desintegración libera una pequeña cantidad de energía.
El éxito final del Proyecto 8 depende de un plan ambicioso. En lugar de intentar detectar neutrinos directamente, que pueden pasar a través de la mayoría de las tecnologías de detección sin dificultad, el equipo utilizó una estrategia de medición simple que se puede resumir de la siguiente manera:
Einstein nos dijo que la masa total de un átomo de tritio es igual a la energía de sus partes. Cuando medimos los electrones libres producidos por la desintegración beta, conocemos la masa total y la energía "faltante" es la masa y el movimiento del neutrino.
Brent VanDevender, uno de los investigadores principales del Proyecto 8 en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, dijo: "En principio, a medida que la tecnología se desarrolla y aumenta, puede ser posible alcanzar el rango requerido para determinar la masa de los neutrinos. "
¿Por qué el Proyecto 8?
Estos investigadores optaron por seguir esta ambiciosa estrategia porque examinaron los pros y los contras y concluyeron que era factible.
Talia Weiss es estudiante de posgrado en física nuclear en la Universidad de Yale. Ella y sus colegas del Proyecto 8 han pasado años estudiando cómo distinguir con precisión las señales electrónicas del ruido de fondo electrónico. Christine Claessens es postdoctorada en la Universidad de Washington. Recibió su doctorado del Proyecto 8 de la Universidad de Mainz en Alemania. Weiss y Claesens realizaron dos análisis finales, imponiendo las primeras limitaciones a las masas de neutrinos derivadas de la nueva técnica.
Weiss dijo: "El neutrino es increíblemente ligero. Es más de 500.000 veces más ligero que el electrón. Entonces, cuando un neutrino y un electrón se producen al mismo tiempo, el efecto de la masa del neutrino en el movimiento del electrón es mínimo. Queremos ver este pequeño efecto. Así que necesitamos una forma súper precisa de medir qué tan rápido se mueve el electrón". El proyecto
8 se basa precisamente en esa tecnología, concebida hace más de una década por los físicos Joe Formaggio y Ben Monreal, ambos en el MIT. Un equipo internacional se unió a la idea y formó el Proyecto 8 para convertir la idea en una herramienta práctica. El método resultante se llama espectroscopia de emisión radiativa ciclotrón (CRES). Capta la radiación de microondas emitida por los electrones recién nacidos mientras giran en un campo magnético. Estos electrones se llevan la mayor parte, pero no toda, de la energía liberada durante la desintegración beta. Es esta energía faltante la que revela la masa del neutrino. Esta es la primera vez que se utiliza la tecnología CRES para medir la desintegración beta del tritio y establecer un límite superior en la masa de neutrinos.
¿Cómo pesan los científicos los neutrinos? Fuente de la imagen: Animación producida por Sara Levine en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Métodos y desafíos innovadores
El equipo de investigación solo está interesado en rastrear estos electrones porque su energía es clave para revelar la masa de los neutrinos. Si bien esta estrategia se ha utilizado antes, la energía de los electrones medida por el detector CRES es tan crítica que su potencial de escalabilidad excede cualquier tecnología existente. Y esta escalabilidad es lo que distingue al Proyecto 8. Elise Novitski es profesora asistente en la Universidad de Washington y dirigió muchos aspectos del trabajo recientemente publicado.
Nowitzki dijo: "Nadie está haciendo esto. No estamos tomando la tecnología existente y tratando de modificarla un poco. Estamos como en el Salvaje Oeste".TAGPH2 0
En el último experimento de la Universidad de Washington en Seattle, el equipo rastreó 3.770 eventos de desintegración beta de tritio en un celda de muestra del tamaño de un guisante durante una ventana experimental de 82 días. La celda de muestra se enfría criogénicamente y se coloca en un campo magnético que captura los electrones emergentes durante un largo tiempo, lo que permite que la antena registradora del sistema registre la señal de microondas.
Lo mejor de todo es que el equipo no registró señales falsas ni eventos de fondo que no pudieran confundirse con señales reales. Esto es importante porque incluso un fondo muy pequeño puede enmascarar la señal de masa del neutrino, dificultando la interpretación de la señal útil.
Los investigadores que forman parte del Proyecto 8, dirigido por el físico experimental del PNNL Noah Oblath, también desarrollaron un conjunto de software especializado, cada uno con el nombre de varios insectos, para tomar datos sin procesar y convertirlos en señales que puedan analizarse. Los ingenieros del proyecto también se pusieron manos a la obra e inventaron varias piezas para que el Proyecto 8 fuera un éxito.
Nowitzki dijo: "Nuestros ingenieros son fundamentales para este trabajo. Desde la perspectiva de un ingeniero, este es un enfoque simple. La física experimental está en la interfaz de la física y la ingeniería. Es necesario contar con ingenieros particularmente aventureros y físicos de mentalidad práctica para colaborar. Hacer que estas cosas sucedan, porque estas cosas son no en los libros de texto "
Llegar a la meta
Ahora que el equipo de investigación ha demostrado que su diseño y sistema experimental pueden funcionar con moléculas de tritio, tienen una tarea urgente por delante. Parte del equipo está trabajando en el siguiente paso: construir un sistema que pueda generar, enfriar y capturar átomos de tritio individuales. Este paso es complicado porque el tritio, al igual que su primo más abundante, el hidrógeno, prefiere formar moléculas. Estas moléculas harán que el objetivo final del equipo del Proyecto 8 sea imposible de lograr. Dirigidos por físicos de la Universidad de Mainz, los investigadores están desarrollando un banco de pruebas para crear y capturar tritio atómico utilizando una compleja serie de imanes. Esto evita que el tritio atómico entre en contacto con las paredes celulares de la muestra, ya que es casi seguro que volverá a su forma molecular en la pared celular.
Los avances en esta tecnología, junto con las actualizaciones de todo el instrumento, serán pasos críticos para alcanzar y, en última instancia, superar la sensibilidad lograda por el equipo de KATRIN.
Actualmente, un equipo de investigación compuesto por miembros de diez instituciones de investigación está probando diseños para escalar experimentos desde una cámara de muestra del tamaño de un guisante hasta una cámara mil veces más grande. La idea es utilizar dispositivos de escucha más grandes para capturar más eventos de desintegración beta, desde el tamaño de un guisante hasta el tamaño de una pelota de playa.
"El Proyecto 8 no es sólo un experimento CRES mejor y más grande, es el primer experimento CRES y el primero en utilizar esta tecnología de detección", dijo Oblath. "Esto nunca se había hecho antes. La mayoría de los experimentos tienen 50 o 100 años, al menos la tecnología de detección que utilizan, y esto es realmente nuevo".