octubre 2, 2022

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Particle Collision Neutrino Concept

Experimento de «partículas fantasma» reduce la masa de neutrinos con una precisión sin precedentes

Los neutrinos son más ligeros que 0,8 electronvoltios

Nuevo récord mundial: el experimento KATRIN limita la masa de un neutrino con una precisión sin precedentes.

Los neutrinos son posiblemente las partículas elementales más sorprendentes de nuestro mundo. En cosmología, juegan un papel importante en la formación de estructuras a gran escala, mientras que en la física de partículas, su masa pequeña pero distinta de cero los separa entre sí, lo que indica nuevos fenómenos físicos más allá de nuestras teorías actuales. Sin medir la escala de masa de los neutrinos, nuestra comprensión del universo seguirá siendo incompleta.

Los científicos a menudo se refieren a los neutrinos como una «partícula fantasma» porque nunca interactúan con otra materia.

Este es el desafío internacional karlsruhe TRItiom norteEl experimento de eutrinos (KATRIN) en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) con socios de seis países es el medidor de neutrinos más sensible del mundo. Utiliza la desintegración beta del tritio, un isótopo de hidrógeno inestable, para determinar la masa de un neutrino a través de la distribución de energía de los electrones liberados en el proceso de desintegración. Esto requiere un gran esfuerzo técnico: el experimento de 70 metros incluye la fuente de tritio más densa del mundo, así como un espectrómetro gigante para medir la energía de los electrones de desintegración con una precisión sin precedentes.

Espectrómetro principal de Catherine

Montaje de electrodos en el espectrómetro principal del experimento KATRIN. Crédito: Joachim Wolf/KIT

La alta calidad de los datos tras el inicio de las mediciones científicas en 2019 se ha mejorado continuamente durante los últimos dos años. “KATRIN es un experimento con los más altos requisitos tecnológicos y ahora funciona como el reloj perfecto”, dice entusiasmado Guido Drexlin (KIT), líder del proyecto y uno de los oradores involucrados en el experimento. Cristian Weinheimer ([{» attribute=»»>University of Münster), the other co-spokesperson, adds that “the increase of the signal rate and the reduction of background rate were decisive for the new result.”

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Data analysis

The in-depth analysis of this data was demanding everything from the international analysis team led by its two coordinators, Susanne Mertens (Max Planck Institute for Physics and TU Munich) and Magnus Schlösser (KIT). Each and every effect, no matter how small, had to be investigated in detail. “Only by this laborious and intricate method we were able to exclude a systematic bias of our result due to distorting processes. We are particularly proud of our analysis team which successfully took up this huge challenge with great commitment,” the two analysis coordinators are pleased to report.

KATRIN Experiment Setup

The 70 meter long KATRIN experiment with its main components tritium source, main spectrometer and detector. Credit: Leonard Köllenberger/KATRIN Collaboration

The experimental data from the first year of measurements and the modeling based on a vanishingly small neutrino mass match perfectly: from this, a new upper limit on the neutrino mass of 0.8 eV can be determined (Nature Physics, July 2021). This is the first time that a direct neutrino mass experiment has entered the cosmologically and particle-physically important sub-eV mass range, where the fundamental mass scale of neutrinos is suspected to be. “The particle physics community is excited that the 1-eV-barrier has been broken by KATRIN,” comments neutrino expert John Wilkerson (University of North Carolina, Chair of the Executive Board).

Susanne Mertens explains the path to the new record: “Our team at the MPP in Munich has developed a new analysis method for KATRIN that is specially optimized for the requirements of this high-precision measurement. This strategy has been successfully used for past and current results. My group is highly motivated: We will continue to meet the future challenges of KATRIN analysis with new creative ideas and meticulous accuracy.”

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Las mediciones adicionales deberían mejorar la sensibilidad

Los portavoces y los coordinadores de análisis de KATRIN son muy optimistas sobre el futuro: “Las mediciones adicionales de la masa de neutrinos continuarán hasta fines de 2024. Para aprovechar todo el potencial de este experimento único, no solo aumentaremos las estadísticas de eventos de señales, sino que estamos desarrollando constantemente e instalar mejoras para reducir aún más la tasa de fondo”.

El desarrollo del nuevo sistema detector (TRISTAN) juega un papel decisivo en esto, permitiendo a KATRIN a partir de 2025 comenzar a buscar neutrinos «estériles» con masas en el rango de kiloelectronvoltios, un candidato para la misteriosa materia oscura en el universo. que ya se ha manifestado en muchas observaciones astrofísicas y cosmológicas, pero su naturaleza física de partículas aún se desconoce.

Referencia: «Medición directa de la masa de neutrinos con sensibilidad sub-eV» 14 de febrero de 2022 Disponible aquí. Física de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01463-1