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De China al Polo Sur: uniendo fuerzas para resolver el rompecabezas de masas de neutrinos

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Uno de los problemas más interesantes de la física moderna es la determinación del orden de masas de neutrinos. Los físicos del grupo de excelencia PRISMA + de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) desempeñan un papel de liderazgo en un nuevo estudio que indica que el misterio de ordenar la masa de neutrinos puede resolverse finalmente en los próximos años.Esto sucederá gracias a la implementación conjunta de dos nuevos experimentos de neutrinos, que están bajo desarrollo-modernización del experimento IceCube en el Polo Sur y el Observatorio de Neutrinos Subterráneos de Jiangmen (JUNO) en China. Pronto les darán a los físicos acceso a datos mucho más sensibles y complementarios sobre el orden de masas de neutrinos.

Los neutrinos son camaleones entre partículas elementales.


Los neutrinos son producidos por fuentes naturales, por ejemplo, en las entrañas del Sol u otros objetos astronómicos, así como en grandes cantidades por las centrales nucleares. Sin embargo, pueden pasar a través de la materia ordinaria, como el cuerpo humano, casi sin obstáculos, sin dejar rastro de su presencia. Esto significa que se requieren métodos extremadamente complejos que requieren el uso de detectores masivos para observar reacciones aleatorias raras en las que están involucradas estas "partículas fantasmas".

Hay tres tipos diferentes de neutrinos: neutrinos electrónicos, muónicos y tau. Pueden variar de un tipo a otro, y los científicos llaman a este fenómeno "oscilaciones de neutrinos". La masa de partículas se puede determinar observando los patrones vibratorios. Durante muchos años, los físicos han intentado establecer cuál de los tres tipos de neutrinos es el más ligero y cuál es el más pesado. El profesor Michael Wurm, físico del grupo de excelencia PRISMA +, que desempeña un papel importante en la realización del experimento JUNO en China, explica: "Creemos que la respuesta a esta pregunta hará una contribución significativa y nos permitirá recopilar datos a largo plazo sobre la violación de la simetría de la materia y la antimateria en sector de neutrinos. Luego, utilizando estos datos, esperamos descubrir de una vez por todas por qué la materia y la antimateria no se han destruido completamente después del Big Bang ".

La colaboración global es rentable


Ambos experimentos a gran escala utilizan métodos muy diferentes y complementarios para resolver el enigma de ordenar la masa de neutrinos. "El enfoque obvio es combinar los resultados esperados de ambos experimentos", dice el profesor Sebastian Bezer del grupo PRISMA +, también investigador de neutrinos y uno de los principales participantes en el experimento IceCube.

Dicho y hecho. En la revista Physical Review D, los investigadores de IceCube y la colaboración JUNO publicaron un análisis conjunto de sus experimentos. Para esto, los autores modelaron los datos experimentales predichos dependiendo del tiempo de medición para cada experimento. Los resultados varían dependiendo de si las masas de neutrinos están en el orden normal o inverso (invertido). Luego, los físicos realizaron una prueba estadística en la que aplicaron un análisis combinado a los resultados simulados de ambos experimentos. Esto reveló el grado de sensibilidad con el que ambos experimentos en combinación podrían predecir el orden correcto o, más bien, eliminar el orden incorrecto. Dado que los patrones de oscilación observados en JUNO e IceCube dependen del orden real de la masa de neutrinos de una manera específica para cada experimento,La prueba combinada tiene una capacidad distintiva significativamente mayor que los resultados experimentales individuales. Por lo tanto, esta combinación finalmente eliminará el orden incorrecto de la masa de neutrinos durante el período de medición de tres a siete años.

"En este caso, el todo es realmente más grande que la suma de sus partes", concluye Sebastian Bezer. "Aquí tenemos una clara evidencia de la efectividad del enfoque experimental complementario cuando se trata de resolver los rompecabezas de neutrinos restantes". "Ningún experimento puede lograr esto por sí solo, ya sea una actualización de IceCube, JUNO o cualquier otro de los lanzados actualmente", agrega Michael Wurm. "Además, solo muestra lo que los físicos pueden lograr trabajando juntos".

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