Casi todas las partículas tienen una contraparte de antimateria: una partícula con la misma masa pero carga opuesta, entre otras cualidades.
Esto parece ser cierto para los neutrinos, pequeñas partículas que constantemente fluyen a través de nosotros. A juzgar por las partículas liberadas cuando un neutrino interactúa con otra materia, los científicos pueden saber cuándo atraparon un neutrino versus un antineutrino.
Pero ciertas características de los neutrinos y antineutrinos hacen que los científicos se pregunten: ¿son uno y lo mismo? ¿Son los neutrinos sus propias antipartículas?
Esto no es desconocido. Se cree que los gluones e incluso los bosones de Higgs son sus propias antipartículas. Pero si los científicos descubren que los neutrinos son sus propias antipartículas, podría ser una pista de dónde obtienen sus pequeñas masas, y sijugó un papel en la existencia de nuestro universo dominado por la materia.
Dirac versus Majorana
La idea de la antipartícula surgió en 1928 cuando el físico británico Paul Dirac desarrolló lo que se conoció como la ecuación de Dirac. Su trabajo buscó explicar qué sucedió cuando los electrones se movieron cerca de la velocidad de la luz. Pero sus cálculos resultaron en un extrañorequisito: que los electrones a veces tengan energía negativa.
"Cuando Dirac escribió su ecuación, fue cuando descubrió que existen antipartículas", dice André de Gouvêa, físico teórico y profesor de la Universidad Northwestern. "Las antipartículas son consecuencia de su ecuación".
El físico Carl Anderson descubrió al compañero antimateria del electrón que Dirac previó en 1932. Lo llamó el positrón, una partícula como un electrón pero con una carga positiva.
Dirac predijo que, además de tener cargas opuestas, los compañeros de antimateria deberían tener otra característica opuesta llamada quiralidad, que representa una de las propiedades cuánticas inherentes que tiene una partícula. Una partícula puede tener una quiralidad diestra o zurda.
La ecuación de Dirac permitió que los neutrinos y antineutrinos fueran partículas diferentes, y, como resultado, cuatro tipos de neutrinos eran posibles: neutrinos con quiralidad para zurdos y diestros y antineutrinos con quiralidad para zurdos y diestros.
Pero si los neutrinos no tenían masa, como pensaban los científicos en ese momento, solo los neutrinos zurdos y los antineutrinos diestros debían existir.
En 1937, el físico italiano Ettore Majorana debutó con otra teoría: los neutrinos y los antineutrinos son en realidad lo mismo. La ecuación de Majorana describió los neutrinos que, después de todo, podrían convertirse en antineutrinos y luego volver a convertirse en neutrinos.
El desequilibrio materia-antimateria
El hecho de que las masas de neutrinos fueran cero seguía siendo un misterio hasta 1998, cuando los experimentos de Super-Kamiokande y SNO descubrieron que sí tenían masas muy pequeñas, un logro reconocido con el Premio Nobel de Física de 2015. Desde entonces, los experimentos han surgido en todas partesAsia, Europa y América del Norte buscan indicios de que el neutrino es su propia antipartícula.
La clave para encontrar esta evidencia es algo llamado conservación del número de leptones. Los científicos consideran que es una ley fundamental de la naturaleza que el número de leptones se conserve, lo que significa que el número de leptones y antileptones involucrados en una interacción debe permanecer igual antes y despuésla interacción ocurre.
Los científicos piensan que, justo después del Big Bang, el universo debería haber contenido cantidades iguales de materia y antimateria. Los dos tipos de partículas deberían haber interactuado, cancelándose gradualmente entre sí hasta que no quedara nada más que energía. De alguna manera, eso no es lo quesucedió
Descubrir que el número de leptones no está conservado abriría un vacío legal que permitiría el desequilibrio actual entre la materia y la antimateria. Y las interacciones de neutrinos podrían ser el lugar para encontrar ese vacío legal.
desintegración doble beta sin neutrinos
Los científicos están buscando la violación del número de leptones en un proceso llamado doble desintegración beta, dice el teórico de SLAC Alexander Friedland, que se especializa en el estudio de neutrinos.
En su forma común, la desintegración beta doble es un proceso en el que un núcleo se desintegra en un núcleo diferente y emite dos electrones y dos antineutrinos. Esto equilibra la materia leptónica y la antimateria tanto antes como después del proceso de desintegración, por lo que conserva el número de leptones.
Si los neutrinos son sus propias antipartículas, es posible que los antineutrinos emitidos durante la doble desintegración beta puedan aniquilarse unos a otros y desaparecer, violando la conservación del número de leptones. Esto se denomina doble desintegración beta sin neutrinos.
Tal proceso favorecería la materia sobre la antimateria, creando un desequilibrio.
"Teóricamente causaría una revolución profunda en nuestra comprensión de dónde las partículas obtienen su masa", dice Friedland. "También nos diría que tiene que haber algo de física nueva a escalas de energía muy, muy altas, que hay algonuevo además del modelo estándar que conocemos y amamos "
Es posible que los neutrinos y los antineutrinos sean diferentes, y que haya dos estados neutrinos y antineutrinos, como se exige en la ecuación de Dirac. Los dos estados faltantes podrían ser tan difíciles de alcanzar que los físicos aún no los han detectado.
Pero detectar evidencia de una doble desintegración beta sin neutrinos sería una señal de que Majorana tenía la idea correcta en su lugar: los neutrinos y los antineutrinos son lo mismo.
"Estos son experimentos muy difíciles", dice de Gouvêa. "Son similares a los experimentos de materia oscura en el sentido de que tienen que hacerse en entornos muy silenciosos con detectores muy limpios y sin radiactividad de nada excepto el núcleo en el que se encuentraintentando estudiar."
Los físicos todavía están evaluando su comprensión de las escurridizas partículas.
"Ha habido muchas sorpresas en la física de neutrinos", dice Reina Maruyama, profesora de la Universidad de Yale, asociada con el experimento CUORE de doble beta desintegración sin neutrinos. "Creo que es realmente emocionante pensar en lo que no sabemos"
El informe se puede encontrar en línea en: http://lss.fnal.gov/archive/2009/conf/fermilab-conf-09-058-t.pdf
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Fermi National Accelerator Laboratory Fermilab . Original escrito por Signe Brewster. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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