Una variedad de radiactividad no observada previamente puede explicar por qué existe la materia, incluidos los humanos. Un equipo de físicos lanza un experimento para buscar un fenómeno inusual.
Cuando el universo se formó hace unos 13.700 millones de años, según las teorías modernas, la materia y su pariente extraño, la antimateria, debían aparecer en cantidades iguales durante el Big Bang. Los físicos saben que cuando estas dos entidades entran en contacto, se aniquilan. Pero en este caso, no habría nada en el espacio excepto fotones y neutrinos. Y sin embargo, existimos. Los cálculos muestran que había un poco más de materia que la antimateria, pero ¿por qué?
Una forma de explicar esta asimetría es buscar la diferencia entre los dos tipos de materia, con la excepción de una carga que pueda explicar la ventaja de la materia ordinaria. En la física moderna, esta es una gran pregunta, porque según las teorías modernas, deberían comportarse de la misma manera.
Neutrino extraño
En el estudio, los físicos están tratando de lograr la
doble desintegración beta sin neutrinos . Por lo general, en la desintegración beta, el núcleo inestable de un átomo radiactivo pierde un neutrón. Un neutrón se convierte en un protón, emitiendo un electrón y una pequeña partícula, un antineutrino electrónico. También hay una situación espejo en la que un protón se convierte en un neutrón, emitiendo un positrón y un electrón neutrino, el gemelo del antineutrino. La desintegración beta doble ocurre cuando se emiten dos electrones y dos antineutrinos: de hecho, la desintegración beta ocurre dos veces. Los científicos han estado construyendo teorías sobre la versión libre de neutrinos de este proceso, en el que los neutrinos se aniquilan antes de abandonar el átomo. En este caso, el neutrino se comporta como su propia antipartícula.
Las partículas que se comportan como sus propias antipartículas se llaman fermiones de Majorana, en honor del físico italiano Ettor Majorana, quien formuló una hipótesis sobre este tema en 1937.
Si los neutrinos y los antineutrinos se comportan de manera diferente, esto puede ayudar a explicar por qué, en el momento de la formación del universo, toda la materia no se aniquiló.
La búsqueda de la descomposición.
Pero tal evento es difícil de detectar porque se ve obstaculizado por un fuerte "ruido de fondo", dice Bernhard Schwingenheuer, portavoz de la
matriz de sensores de germanio,
matriz de detectores de GERmanium o GERDA. La causa del ruido son los rayos cósmicos.
La instalación de GERDA, escondida en un laboratorio subterráneo en Italia, consta de sensores contenidos en un baño con argón líquido enriquecido con un isótopo de germanio-76 moderadamente radioactivo. Su vida media es de 1.78 x 10
21 (1.78 billones de billones de años): la mitad de sus átomos tarda mucho en convertirse en selenio. Esta vez es varios órdenes de magnitud más largos que la existencia del universo.
Por lo general, el germanio durante su descomposición lenta emite dos electrones y dos antineutrinos de electrones, que es la doble desintegración beta habitual. Los físicos querían saber si tal descomposición ocurre sin neutrinos.
Con una vida media tan larga, uno pensaría que tomaría demasiado tiempo esperar tal evento; pero la vida media es un fenómeno probabilístico. Es por eso que el estudio utiliza alrededor de 38 kg de germanio mezclado con argón líquido. Esto da alrededor de 4.5 x 10
25 átomos, lo que significa que varios átomos deben descomponerse directamente durante la observación.
El equipo de GERDA recopiló datos durante siete meses, desde diciembre de 2015 hasta junio de 2016. No detectaron la descomposición, pero pudieron establecer un límite inferior para su frecuencia de ocurrencia: su vida media es de 5.3 x 10
25 años, lo que significa que existe la posibilidad de ver la descomposición de uno átomo durante este tiempo es igual al 50%.
Extendiendo el Modelo Estándar
Si se detecta la descomposición, esto significará que los neutrinos son antipartículas para sí mismos, como los fotones. De lo contrario, la descomposición sin neutrinos no puede tener lugar. También significa que dicha desintegración radiactiva es asimétrica. Recuerde que la desintegración beta tiene una versión espejo: se emiten electrones y antineutrinos, o positrones y neutrinos. Si la desintegración beta doble es asimétrica, significa que los neutrinos y los antineutrinos se comportan de manera diferente. Para otros pares de partículas / antipartículas, esto no es así.
Este fenómeno afectará al Modelo Estándar, que, aunque explica con gran éxito la física de partículas, no está completo. El modelo predijo la existencia del bosón de Higgs. Pero Schwingenhöyer señala que hay evidencia de que el neutrino tiene una masa pequeña (descubierta solo en 1998, por la cual se recibió el Premio Nobel en 2015), así como signos de la presencia de materia oscura. Todo esto sugiere que el Modelo Estándar no se ha convertido en la última palabra de la ciencia.
"Si se detecta la doble desintegración beta sin neutrinos, podemos resolver un par de problemas", dijo Philip Barbeau, profesor asistente de física en la Universidad de Duke. “En primer lugar, ayudará a explicar la asimetría de la materia y la antimateria en el Universo. En segundo lugar, ayudará a entender por qué los neutrinos tienen una masa tan pequeña. También podremos estimar la masa de neutrinos, ya que la tasa de descomposición está relacionada con la escala de masa de neutrinos ".
Y luego queda por comprender la física del proceso. El proyecto GERDA aún no ha demostrado la descomposición deseada, pero esto no significa que no la encontrará, como dice Schwingenhöyer. No será posible eliminar por completo la probabilidad de tal proceso, ya que siempre existirá la posibilidad de que el tiempo requerido para su aparición sea simplemente más largo de lo que se pensaba. Hasta la fecha, han establecido un límite inferior para la vida media, pero los experimentos futuros pueden aumentar este valor.
Si, después de numerosas carreras, todavía no ven la descomposición, entonces Barbot cree que es poco probable que esto abra el camino para nuevos modelos científicos. “Desde el punto de vista de las teorías subyacentes, no estamos volviendo a los cálculos. Simplemente no sabremos si los neutrinos son fermiones de Majorana ".