Una gran máquina de conteo de electrones ha generado indirectamente una medición de la partícula más resbaladiza conocida en física, y se ha agregado a la evidencia de la materia oscura.
Esa medición es el primer resultado de un esfuerzo internacional para medir la masa de neutrinos, partículas que llenan nuestro universo y determinan su estructura, pero que apenas podemos detectar. Los neutrinos, según el experimento alemán de Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), no tienen más del 0,0002% de la masa de un electrón. Ese número es tan bajo que incluso si sumamos todos los neutrinos en el universo, no podrían explicar su masa faltante. Y ese hecho se suma a la pila de evidencia de la existencia de la materia oscura.
KATRIN es básicamente una máquina muy grande para contar los electrones de súper alta energía que brotan de una muestra de tritio, una forma radiactiva de hidrógeno. con un protón y dos neutrones en cada átomo. El tritio es inestable y sus neutrones se descomponen en pares electrón-neutrino. KATRIN busca los electrones y no los neutrinos porque los neutrinos son demasiado débiles para medirlos con precisión. Y la máquina usa gas tritio, según Hamish Robertson, científico de KATRIN y profesor emérito de la Universidad de Washington, porque es la única fuente de neutrinos de electrones lo suficientemente simple como para obtener una buena medición de masa.
Los neutrinos son más o menos imposibles de medir con precisión por sí mismos porque tienen muy poca masa y tienden a saltarse los detectores sin interactuar con ellos. Entonces, para descubrir la masa de los neutrinos, Robertson le dijo a Live Science, KATRIN cuenta los electrones más energéticos y trabaja hacia atrás desde ese número para deducir la masa del neutrino. Se han anunciado los primeros resultados de KATRIN, y los investigadores llegaron a una conclusión temprana: los neutrinos tienen una masa no superior a 1.1 electronvoltios (eV).
Los voltios de electrones son las unidades de masa y energía que usan los físicos cuando hablan de las cosas más pequeñas del universo. (En la escala de partícula fundamental, la energía y la masa se miden utilizando las mismas unidades, y los pares de neutrinos y electrones deben tener niveles de energía combinados equivalentes a su fuente de neutrones). El bosón de Higgs, que presta su masa a otras partículas, tiene un masa de 125 mil millones de EV. Los protones, las partículas en el centro de los átomos, tienen masas de aproximadamente 938 millones de eV. Los electrones son solo 510,000 eV. Este experimento confirma que los neutrinos son increíblemente pequeños.
KATRIN es una máquina muy grande, pero sus métodos son sencillos, dijo Robertson. La primera cámara del dispositivo está llena de tritio gaseoso, cuyos neutrones se descomponen naturalmente en electrones y neutrinos. Los físicos ya saben cuánta energía está involucrada cuando un neutrón se descompone. Parte de la energía se convierte en la masa del neutrino y la masa del electrón. Y el resto se vierte en esas partículas recién creadas, dictando aproximadamente qué tan rápido van. Por lo general, esa energía adicional se distribuye de manera bastante uniforme entre el electrón y el neutrino. Pero a veces la mayoría o la totalidad de la energía restante se vierte en una partícula u otra.
En ese caso, toda la energía que queda después de que se forman el neutrino y el electrón se vierte en el compañero de electrones, formando un electrón de súper alta energía, dijo Robertson. Eso significa que la masa del neutrino se puede calcular: es la energía involucrada en la desintegración de neutrones menos la masa del electrón y el nivel máximo de energía de los electrones en el experimento.
Los físicos que diseñaron el experimento no intentaron medir los neutrinos; se les permite escapar de la máquina sin tocar. En cambio, el experimento canaliza los electrones hacia una cámara de vacío gigante, llamada espectrómetro. Una corriente eléctrica crea un campo magnético muy fuerte que solo pueden atravesar los electrones de mayor energía. En el otro extremo de esa cámara hay un dispositivo que cuenta cuántos electrones atraviesan el campo. A medida que KATRIN aumenta lentamente la intensidad del campo magnético, dijo Robertson, la cantidad de electrones que atraviesan se reduce, casi como si fuera a desvanecerse hasta cero. Pero al final de ese espectro de niveles de energía de electrones, sucede algo.
"El espectro muere repentinamente, antes de llegar al punto final, porque la masa del neutrino no puede ser robada por el electrón. Siempre debe dejarse atrás para los neutrinos", dijo Robertson. La masa del neutrino debe ser menor que esa pequeña cantidad de energía que falta desde el final del espectro. Y después de varias semanas de tiempo de ejecución, los experimentadores redujeron ese número a aproximadamente la mitad del número que los físicos sabían anteriormente.
La idea de que los neutrinos tienen masa es revolucionaria; El Modelo Estándar, la teoría de la física principal que describe el mundo subatómico, una vez insistió en que los neutrinos no tienen masa en absoluto, señaló Robertson. Ya en la década de 1980, los investigadores rusos y estadounidenses intentaban medir las masas de neutrinos, pero sus resultados fueron problemáticos e imprecisos. En un momento, los investigadores rusos vincularon la masa del neutrino a exactamente 30 eV, un buen número que habría revelado a los neutrinos como el eslabón perdido que habría explicado la gran estructura gravitacional del universo, completando toda la masa faltante, pero uno eso resultó estar mal.
Robertson y sus colegas comenzaron a trabajar con tritio gaseoso en ese entonces, luego de darse cuenta de que la sustancia ligeramente radiactiva ofrecía la fuente más precisa de descomposición de neutrones disponible para la ciencia.
"Esta ha sido una búsqueda larga", dijo Robertson. "La medición rusa de 30 eV fue muy emocionante porque habría cerrado el universo gravitacionalmente. Y sigue siendo emocionante por esa razón. Los neutrinos juegan un papel importante en la cosmología, y probablemente han moldeado la estructura a gran escala del universo".
Todas esas partículas débiles que vuelan alrededor tiran de todo lo demás con su gravedad, y toman y prestan energía de toda la otra materia. Aunque a medida que se reduce el número de masa, dijo Robertson, el papel preciso que juegan estas pequeñas partículas se vuelve más complicado.
El número 1.1 eV, dijo el investigador, es interesante porque es el primer número de masa de neutrinos derivado experimentalmente que no es lo suficientemente alto como para explicar la estructura del resto del universo por sí solo.
"Hay materia de la que aún no sabemos nada. Existe esta materia oscura", y no puede estar hecha de los neutrinos que conocemos, dijo.
Por lo tanto, este pequeño número de una gran cámara de vacío en Alemania, como mínimo, se suma a la pila de evidencia de que el universo tiene elementos que la física aún no comprende.
