Física de Neutrinos

La física de neutrinos estudia los leptones elusivos y de interacción débil, cuyas oscilaciones de sabor proporcionan la primera evidencia de laboratorio de física más allá del Modelo Estándar original.

Definition

La física de neutrinos es el estudio de los neutrinos, los leptones eléctricamente neutros que interactúan solo a través de la fuerza débil y la gravedad, incluyendo sus oscilaciones de sabor, la evidencia que esas oscilaciones proporcionan de una masa de neutrino no nula y la mezcla de los estados de sabor y masa de los neutrinos.

Scope

Este tema abarca los tres sabores de neutrinos, sus interacciones extremadamente débiles y el fenómeno de la oscilación de neutrinos en el que los neutrinos cambian de sabor a medida que se propagan, lo que implica que los neutrinos tienen masas pequeñas pero no nulas. Trata los experimentos de neutrinos solares, atmosféricos, de reactor y de acelerador, los parámetros de mezcla del sector leptónico y las preguntas abiertas como la escala de masa absoluta y si los neutrinos son sus propias antipartículas.

Core questions

• ¿Cómo cambian los neutrinos de sabor a medida que viajan y qué revela esto sobre sus masas?
• ¿Cuál es la escala absoluta y el orden de las masas de los neutrinos?
• ¿Son los neutrinos partículas de Dirac o de Majorana, es decir, son sus propias antipartículas?
• ¿Por qué las masas de los neutrinos son mucho más pequeñas que las de los otros fermiones?

Key concepts

• Neutrinos electrónicos, muónicos y tauónicos
• Acoplamiento solo por interacción débil
• Oscilación de neutrinos y cambio de sabor
• Autoestados de masa versus autoestados de sabor
• Neutrinos solares y atmosféricos
• Neutrinos de Dirac versus de Majorana

Key theories

Oscilación de sabor de neutrinos

Debido a que los estados de sabor de los neutrinos son superposiciones cuánticas de distintos estados de masa, un neutrino creado en un sabor puede ser detectado más tarde como otro, un efecto de interferencia que requiere que los estados de masa difieran y, por lo tanto, sean no nulos.

Matriz de mezcla leptónica

La falta de coincidencia entre los autoestados de sabor y masa de los neutrinos se parametriza mediante la matriz de mezcla de Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata, el análogo leptónico de la matriz de mezcla de quarks, con ángulos de mezcla medidos por experimentos de oscilación.

Clinical relevance

La oscilación de neutrinos, establecida por los experimentos Super-Kamiokande y SNO y reconocida con el Premio Nobel de 2015, es la primera evidencia clara de física más allá del Modelo Estándar mínimo, mientras que los neutrinos sirven como sondas del Sol, las supernovas y el universo temprano y pueden ayudar a explicar el exceso cósmico de materia sobre antimateria.

History

El neutrino fue postulado por Pauli en 1930 para rescatar la conservación de energía en la desintegración beta y detectado por primera vez por Reines y Cowan en 1956. El déficit de neutrinos solares de larga data observado por Davis se resolvió cuando Super-Kamiokande informó sobre la oscilación de neutrinos atmosféricos en 1998 y SNO demostró el cambio de sabor de neutrinos solares en 2002, estableciendo que los neutrinos tienen masa y anulando la suposición original del Modelo Estándar de neutrinos sin masa.

Debates

Naturaleza de Dirac versus Majorana de los neutrinos

Si los neutrinos son distintos de sus antipartículas (Dirac) o idénticos a ellas (Majorana) es algo no resuelto; el descubrimiento de la desintegración beta doble sin neutrinos establecería el caso de Majorana, pero no se ha confirmado tal señal.

Key figures

• Wolfgang Pauli
• Bruno Pontecorvo
• Raymond Davis Jr.
• Takaaki Kajita

Seminal works

• superk1998
• sno2002

Frequently asked questions

¿Por qué los neutrinos son tan difíciles de detectar?

Los neutrinos interactúan solo a través de la fuerza débil, por lo que atraviesan enormes cantidades de materia sin interactuar. Detectarlos requiere detectores muy grandes y bien blindados, así como fuentes intensas de neutrinos.

¿Las oscilaciones de neutrinos demuestran que los neutrinos tienen masa?

Sí. La oscilación entre sabores solo puede ocurrir si los estados de masa de los neutrinos tienen masas diferentes y no nulas, por lo que la observación de la oscilación establece que al menos dos masas de neutrinos no son nulas.