El experimento de la «partícula fantasma» limita la masa de los neutrinos con una precisión sin precedentes

Los neutrinos son más ligeros que 0,8 electronvoltios

Nuevo récord mundial. El experimento KATRIN limita la masa de neutrinos con una precisión sin precedentes.

Los neutrinos son el elemento más interesante de nuestro universo. En cosmología, juegan un papel importante en la formación de estructuras a gran escala, mientras que en física de partículas su masa pequeña pero distinta de cero las separa, apuntando a nuevos fenómenos en física que están más allá de nuestras teorías actuales. Sin medir la masa de los neutrinos, nuestra comprensión del universo sería incompleta.

Este es un desafío internacional. HAY:rlsruhe: TRES:en NORTE:La experiencia de Eutrino (KATRIN) en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) con socios de seis países se ha convertido en la escala de neutrinos más sensible del mundo. Utiliza la desintegración beta del tritio, un isótopo de hidrógeno inestable, para determinar la masa de un neutrino mediante la distribución de la energía de los electrones liberados durante la desintegración. Esto requiere mucho esfuerzo tecnológico. El experimento de 70 metros de largo contiene la fuente del tritio más intenso del mundo, así como un espectrómetro gigante para medir la energía de los electrones en descomposición con una precisión sin precedentes.

Colocación de electrodos en el espectrómetro principal del experimento KATRIN. Préstamo: Joachim Wolf / KIT

Desde el inicio de las mediciones científicas en 2019, la alta calidad de los datos ha mejorado continuamente durante los últimos dos años. «KATRIN está experimentando con tecnología de punta; ahora funciona como un reloj perfecto», dijo Guido Drexlin (KIT), gerente del proyecto y uno de los dos co-relatores del experimento. Cristian Weinheimer ([{» attribute=»»>University of Münster), the other co-spokesperson, adds that “the increase of the signal rate and the reduction of background rate were decisive for the new result.”

Data analysis

The in-depth analysis of this data was demanding everything from the international analysis team led by its two coordinators, Susanne Mertens (Max Planck Institute for Physics and TU Munich) and Magnus Schlösser (KIT). Each and every effect, no matter how small, had to be investigated in detail. “Only by this laborious and intricate method we were able to exclude a systematic bias of our result due to distorting processes. We are particularly proud of our analysis team which successfully took up this huge challenge with great commitment,” the two analysis coordinators are pleased to report.

The 70 meter long KATRIN experiment with its main components tritium source, main spectrometer and detector. Credit: Leonard Köllenberger/KATRIN Collaboration

The experimental data from the first year of measurements and the modeling based on a vanishingly small neutrino mass match perfectly: from this, a new upper limit on the neutrino mass of 0.8 eV can be determined (Nature Physics, July 2021). This is the first time that a direct neutrino mass experiment has entered the cosmologically and particle-physically important sub-eV mass range, where the fundamental mass scale of neutrinos is suspected to be. “The particle physics community is excited that the 1-eV-barrier has been broken by KATRIN,” comments neutrino expert John Wilkerson (University of North Carolina, Chair of the Executive Board).

Susanne Mertens explains the path to the new record: “Our team at the MPP in Munich has developed a new analysis method for KATRIN that is specially optimized for the requirements of this high-precision measurement. This strategy has been successfully used for past and current results. My group is highly motivated: We will continue to meet the future challenges of KATRIN analysis with new creative ideas and meticulous accuracy.”

https://www.youtube.com/watch?v=-7JvvQxG26A:

Otras mediciones deberían mejorar la sensibilidad.

Los co-relatores de KATRIN, coordinadores de análisis, son muy optimistas sobre el futuro. «Se continuarán realizando más mediciones de la masa de neutrinos hasta finales de 2024. Para aprovechar todo el potencial de esta experiencia única, no solo aumentaremos constantemente las estadísticas. eventos de señal, estamos constantemente desarrollando և instalando mejoras para reducir aún más la tasa de fondo «.

En esto juega un papel especial el desarrollo de un nuevo sistema de detectores (TRISTAN), que permite a KATRIN empezar a buscar neutrinos «estériles» en el rango de los kiloelectronvoltios, candidatos a la misteriosa materia oscura del universo, a partir de 2025. . que ya ha aparecido en muchas observaciones astrofísico-cósmicas, pero cuya naturaleza físico-partícula aún se desconoce.

https://www.youtube.com/watch?v=i_jyX2QixHc:

Referencia. «Medición de la masa directa de neutrinos con sensibilidad sub-eV» 14 de febrero de 2022 física de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01463-1: