¿Cómo pesas un fantasma? Si eres cosmólogo, podrías usar … el Universo. Combina vastos datos cosmológicos con información de aceleradores de partículas, y resulta que tienes una escala bastante buena para medir la masa de un neutrino – También conocida como la 'partícula fantasma'.
Así es como un equipo de científicos, por primera vez, ha establecido un límite superior en la masa del más ligero de los tres tipos diferentes de neutrinos.
Neutrinos Son pequeñas cosas peculiares. Se encuentran entre las partículas subatómicas más abundantes del Universo, similares a los electrones, pero sin carga y casi sin masa. Esto significa que interactúan muy raramente con la materia normal; de hecho, miles de millones están pasando por tu cuerpo en este momento.
Es por eso que se han ganado el apodo de partículas fantasmas. También los hace increíblemente difíciles de detectar. Nosotros tenemos algunos métodos para la detección – como Detectores de neutrinos Cherenkov – pero estos son indirectos, capturando los efectos de los neutrinos que pasan, en lugar de los propios neutrinos.
Todo eso significa medir el masa cercana a cero de estas partículas es un desafío particularmente difícil.
"Utilizamos información de una variedad de fuentes, incluidos telescopios espaciales y terrestres que observan la primera luz del Universo (la radiación de fondo cósmico de microondas), estrellas en explosión, el mapa 3D más grande de galaxias en el Universo, aceleradores de partículas, reactores nucleares , y más," dijo el cosmólogo Arthur Loureiro de University College London en el Reino Unido.
"Como los neutrinos son abundantes pero pequeños y esquivos, necesitábamos todos los conocimientos disponibles para calcular su masa, y nuestro método podría aplicarse a otras grandes preguntas que desconciertan a cosmólogos y físicos de partículas".
Sabemos que los neutrinos tienen masa porque vienen en tres tipos, o 'sabores': electrones, muones y tau. Pero no es tan simple como que sean tres entidades discretas; las partículas realmente oscilan entre estos sabores (y qué sabor tiene qué masa es sigue siendo un misterio)
"Los tres sabores se pueden comparar con el helado, donde tienes una cucharada que contiene fresa, chocolate y vainilla". Loureiro explicó.
"Tres sabores siempre están presentes, pero en diferentes proporciones, y la relación cambiante, y el comportamiento extraño de la partícula, solo puede explicarse por los neutrinos que tienen una masa".
Límites superiores tener previamente sido colocado en el masa combinada
Así, una vez que hemos calculado la densidad de neutrinos, podemos usar eso para establecer un límite superior sobre el efecto colectivo que producen los neutrinos.
Esta vez, los investigadores dieron un paso más allá, utilizando los datos que habían recopilado como marco para modelar matemáticamente la masa de neutrinos. Esto fue alimentado a un supercomputadora potente llamó a Grace para realizar los cálculos.
"Utilizamos más de medio millón de horas informáticas para procesar los datos; esto equivale a casi 60 años en un solo procesador". dijo el cosmólogo Andrei Cuceu del University College London.
Pero Grace lo hizo: la supercomputadora devolvió una masa para el más ligero de los tres neutrones de 0.086 electronvoltios (con un límite inferior de cero), o alrededor de 1.5 × 10-37 kilogramos El equipo también calculó una masa combinada para los tres neutrinos: 0,26 voltios de electrones. Ambos resultados tienen un intervalo de confianza del 95 por ciento.
Por contexto, un electrón estacionario tiene una masa de 511,000 electronvoltios, o 9.109 10−31 kilogramos
Todavía no tenemos restricciones para las otras dos masas, ni hemos mapeado esas masas a los sabores de neutrinos. Y todavía hay cierta incertidumbre sobre la tasa de expansión del Universo (que los cosmólogos están tratando de resolver). Pero es un paso bastante sorprendente.
"Es impresionante que el cúmulo de galaxias a gran escala pueda contarnos sobre la masa del neutrino más ligero, un resultado de fundamental importancia para la física". dijo el astrónomo Ofer Lahav del University College de Londres.
"Este nuevo estudio demuestra que estamos en el camino para medir realmente las masas de neutrinos con la próxima generación de grandes estudios de galaxias espectroscópicas, como DESI, Euclides y otros".
La investigación debe aparecer en Cartas de revisión física y está disponible en arXiv.