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Un isótopo del calcio guarda el secreto de la masa del neutrino

La insignificante masa de los neutrinos, unas partículas subatómicas que podrían ser materia y antimateria a la vez, mantiene en vilo a científicos de todo el mundo. Ahora investigadores de la Universidad de Tokio, con la colaboración de un físico español, han utilizado uno de los ordenadores más potentes del mundo para analizar una desintegración especial del calcio-48, cuya vida de billones de años depende de la desconocida masa de los neutrinos. El avance facilitará la detección de esta rara desintegración en laboratorios subterráneos.

Desintegración doble beta sin neutrinos del calcio-48 al titanio-48, donde se pierden dos neutrones, se ganan dos protones y se emiten dos electrones. Los neutrinos no aparecen pero forman parte ‘interna’ del proceso. / B. Alex Brown

Hace más de 60 años que se descubrieron los neutrinos, pero los científicos todavía tienen que determinar algunas de sus propiedades fundamentales, como su masa –de la que solo se conoce su cuota superior (unos 3,6 x 10-36 kg)–, o saber si en realidad los neutrinos y antineutrinos son la misma partícula.

Uno de los experimentos que puede responder a la primera de estas preguntas es la llamada desintegración doble beta sin neutrinos, que ocurre cuando un núcleo atómico madre se desintegra en un núcleo hija (en femenino para los físicos) ganando dos protones, perdiendo dos neutrones y emitiendo dos electrones. Un ejemplo es el del calcio-48 (un isótopo muy raro del calcio con 20 protones y 28 neutrones) cuando se desintegra en titanio-48. Este es el caso que han analizado y modelizado ahora científicos de la Universidad de Tokio (Japón) con un detalle sin precedentes. Su estudio se publica en la revista Physical Review Letters.

Con los nuevos cálculos y una vez que se mida esta desintegración, se podrá determinar la masa de los neutrinos, explica Menéndez

“La vida media de esa desintegración depende de dos factores: la desconocida masa de los neutrinos (que aunque no se emiten en este proceso, sí que forman parte de él) y las características de los núcleos madre e hija. Esto implica que, conociendo esta parte nuclear y una vez que se pueda medir experimentalmente la desintegración en alguno de los laboratorios subterráneos que lo están intentando, se podrá determinar la masa de los neutrinos”, destaca a Sinc Javier Menéndez, investigador español en la universidad japonesa y coautor del trabajo.

Lo que ha logrado el equipo es conocer la parte nuclear “de una manera fiable” mediante complejísimos cálculos de mecánica cuántica, en los que se han incluido las variables de dos tercios de los muchos protones y neutrones implicados (hasta ahora solo se había logrado introducir un tercio de estas partículas) mediante matrices con 2 billones de datos. Las operaciones se han realizado con el cuarto supercomputador más rápido del mundo, el K-computer, situado en el Instituto RIKEN en Kobe.

Los investigadores han usado el supercomputador japonés K-computer, el cuarto más rápido del mundo, para calcular cómo se desintegra el núcleo del calcio-48. / 0-0t

“Nuestro resultado va a permitir obtener directamente la masa del neutrino cuando se mida de forma experimental la vida media de esta desintegración –insiste Menéndez–, y además indica que la desintegración del calcio-48 dura aproximadamente la mitad de lo que se pensaba (2 x 1025 años en lugar de 4 x 1025 años), lo que aumenta las posibilidades de observarla”.

Experimentos CANDLES, NEMO y NEXT en laboratorios subterráneos

En cualquier caso se trata de una desintegración extremadamente inusual y lenta, ya que está mediada por dos desintegraciones débiles simultáneas. Esto supone que tarda billones de años de media en producirse y es muy difícil de detectar. Los laboratorios que trabajan en ello aspiran a observar alguna –que le corresponda desintegrarse justo ahora– en profundas minas subterráneas, lejos de cualquier ‘ruido’ externo. Entre los experimentos que tratan de conseguirlo se encuentran CANDLES en el observatorio japonés de Kamioka (uno de los ganadores del último Breakthrough Prize for Fundamental Physics por sus investigaciones sobre neutrinos) y NEMO 3 en el túnel de Fréjus (Francia).

El experimento español NEXT tratará de demostrar en el laboratorio subterráneo de Canfranc que el neutrino es su propia antipartícula

Tras la presentación de los resultados sobre el calcio-48 (el más sencillo de analizar de los núcleos candidatos), los investigadores ya trabajan en cálculos semejantes para la desintegración doble beta sin neutrinos del germanio-76, el selenio-82 e incluso del xenon-136. Esta última es el objetivo de NEXT, un proyecto español liderado por científicos del Instituto de Física Corpuscular (CSIC-Universidad de Valencia) para tratar de demostrar en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (Huesca) que el neutrino es su propia antipartícula.

Nobel para la desintegración doble beta sin neutrinos

“Lo más interesante sería que se confirmara que durante la desintegración doble beta no se emiten neutrinos, ya que esto implicaría, por principios físicos, que los neutrinos y los antineutrinos son la misma partícula; lo que sería un descubrimiento importantísimo, premio Nobel seguro”, subraya Menéndez. “En ese momento se podría decir que los neutrinos son partículas de Majorana, por ser partícula y antípartícula a la vez, una propiedad que propuso el físico italiano Ettore Majorana en los años 30”.

Y si resulta que los neutrinos y antineutrinos son la misma partícula, sería el primer caso conocido de materia que es antimateria a la vez, además de que esto generaría una asimetría que serviría para explicar por qué no hay antimateria en el universo. Los neutrinos de Majorana habrían permitido que en los primeros instantes tras el Big Bang se hubiese creado más materia que antimateria (por ejemplo, en la desintegración doble beta sin neutrinos se emiten dos electrones –creación de materia– pero ningún antineutrino). Después, toda la antimateria se habría aniquilado con la mayor parte de la materia, liberando energía, y solo habría quedado el ‘exceso’ de materia que observamos hoy en el universo.

Referencia bibliográfica:

Y. Iwata, N. Shimizu, T. Otsuka, Y. Utsuno, J. Menéndez, M. Honma, and T. Abe.Large-scale shell-model analysis of the neutrinoless ββ decay of 48Ca”. Phys. Rev. Lett. 116 – 112502, marzo de 2016.

Fuente: SINC
Derechos: Creative Commons
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