La física de partículas tiene una nueva e importantísima medida: la masa de la "partícula fantasma"

Estimar el peso de un fantasma. Algo así es lo que han logrado unos investigadores europeos. Solo que no estamos hablando de ectoplasmas, sino de la llamada “partícula fantasma”, el neutrino.

Una medida escurridiza. Un equipo de físicos liderado por investigadores del Instituto Max Planck de Física Nuclear ha logrado una nueva estimación de la masa del neutrino, una de las partículas subatómicas más elusivas que conocemos.

La partícula fantasma. La historia de este misterio comienza en la década de 1930, cuando unos físicos se dieron cuenta de que algo no encajaba en la desintegración del núcleo atómico. Faltaba algo, algo desconocido. Imaginaron entonces unas “partículas fantasma” que absorbían parte del momento de los átomos en transformación. A mediados de los 50 “capturaron” esta partícula, el neutrino.

Pero los neutrinos apenas interactúan con el resto de partículas, lo que seguía convirtiéndolos en una partícula un tanto “fantasmagórica” Tanto que hasta hace relativamente poco, creíamos que no tenía masa, como los fotones. Algo que, explican los responsables del estudio, encajaba perfectamente en el modelo estándar, el modelo físico que trata de describir partículas subatómicas y sus interacciones.

Hasta que fue descubierto que los neutrinos “oscilaban” entre tres tipos. Algo que implicaba que esta partícula debía tener una “masa de reposo”.

Una báscula nuclear. ¿Cómo pesamos entonces una partícula que hasta hace poco creíamos no tenía masa? Existen dos métodos complementarios, explica en una nota de prensa Christoph Schweiger, uno de los coautores del estudio.

Uno de estos métodos es la desintegración beta del tritio, el isótopo del hidrógeno (hidrógeno-3), en cuyo núcleo pueden hallarse dos neutrones y un protón. En esta desintegración uno de los neutrones decae en protón, convirtiendo el átomo en helio-3 y liberando en el proceso un electrón y un neutrino. Esta fue la técnica empleada hace unos años por el experimento KATRIN.

“La senda complementaria es la captura de electrón en el isótopo artificial holmio-163”, continúa explicando Schweiger. Esta desintegración parte de la absorción, por parte del núcleo del átomo, de un electrón de la capa interna de este isótopo. Aquí un protón pasa a convertirse en un neutrón, transformando el átomo en un isótopo de disprosio-163 y también liberando un neutrino. El disprosio y el holmio son los elementos que corresponden, respectivamente a los números atómicos 66 y 67, y ambos son pertenecientes al grupo de los lantánidos.

E=mc2. El equipo del consorcio ECHo trabajó en la medición energética de este proceso.  Puesto que masa y energía son equivalentes (como nos indica la archiconocida ecuación de Einstein), y estas ni se crean ni se destruyen, basta con conocer la masa que había en el sistema antes y después de la decadencia de un isótopo en otro y despejar la incógnita.

Pero esta incógnita tiene a su vez dos componentes. Por un lado, la masa del neutrino liberado, por otra el “valor Q”, la cantidad de energía liberada o absorbida en este tipo de reacciones. Para medir esta última el equipo utilizó un “calorímetro”.

Pentatrampa. Pero había un problema. El isótopo de holmio del experimento iba incorporado en una lámina de átomos de oro. Estos átomos podían tener algún tipo de influencia en el isótopo, por lo que decidieron combinar la medida inicial con una nueva obtenida a través de otra metodología y así detectar hipotéticos errores.

Esta herramienta es la “pentatrampa”, un instrumento combinado de cinco trampas de Penning. Estas trampas atrapan átomos utilizando electricidad estática y campo magnético. La precisión de esta herramienta es la equivalente a una que midiera la masa de una gota de agua en un Airbus A380, explica Schweiger.

Este aparato funciona haciendo vibrar y midiendo la vibración de distintos átomos, en este caso iones de disprosio-163 y holmio-163. Con ello lograron una medición del valor Q 50 veces más precisa. Los detalles del experimento fueron publicados en un artículo en la revista Nature Physics.

Puerta abierta a lo desconocido. ¿El resultado logrado? El experimento estimó una masa máxima de 0,8 electronvoltios dividido por la velocidad de la luz al cuadrado (eV/m2). Esto es: 1,4·10^(-33) gramos. O lo que sería lo mismo, 0,0014 quectogramos (qg) utilizando los nuevos prefijos del Sistema Internacional. 

Para los responsables del estudio, esta medida supone una llave a un “mundo desconocido”, la tan ansiada nueva física que podría ayudaros a resolver algunas aparentes contradicciones de nuestros modelos actuales y otras preguntas que aún no sabemos contestar. Por ahora tendremos que conformarnos con un pequeño paso. Aunque no tan pequeño como un neutrino.

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Imagen | Pentatrampa. MPI for Nuclear Physics / Primera detección de un neutrino. Departamento de Energía de los EE UU