Francis en Trending Ciencia: La masa de los neutrinos y el modelo estándar

Dibujo20130512 slides from neutrino and the origin of mass - goran sanjanovic - pheno13

Ya puedes escuchar mi nuevo podcast sobre física para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción del audio.

Mi nuevo podcast sobre física responde a una pregunta que me ha realizado por Twitter Alex San (@alexcalamaro): por qué Richard Ruiz (@bravelittlemuon) escribió en Twitter que “el único fallo del modelo estándar es su incapacidad para explicar la masa de los neutrinos.” Le prometí a Alex contestarle y voy a compartir mi respuesta con todos vosotros.

El físico Richard Ruiz hacía referencia a la charla de Goran Senjanović “Neutrino and the Origin of Mass” en la conferencia internacional Phenomenology 2013 Symposium, el Simposio de 2013 sobre Fenomenología, que ha tenido lugar en la Universidad de Pittsburgh, Pensilvania, EEUU, la semana pasada (entre el 6 y el 8 de mayo); Richard tuiteó dicha conferencia en directo. La masa de los neutrinos tiene dos posibles explicaciones en el marco del modelo estándar de la física de partículas elementales. La explicación depende de que los neutrinos sean partículas de Dirac o partículas de Majorana, es decir, si los neutrinos son diferentes de sus antipartículas o son idénticos a ellas. En ambos casos, se requiere un ajuste muy fino de los parámetros del modelo estándar, tan fino que apunta a un problema de consistencia del propio modelo estándar y pide a gritos física más allá del modelo estándar. A este hecho se refiere Goran Senjanovic en su charla como el fallo del modelo estándar asociado a la masa de los neutrinos. Permíteme explicarlo con más detalle.

Dibujo20130512 fermion chirality

El modelo estándar es una teoría cuántica de campos concreta y permite incorporar fácilmente nuevas partículas (caso de que sean descubiertas) y nuevas interacciones. En toda teoría cuántica de campos hay partículas de dos tipos, fermiones y bosones. En el modelo estándar hay tres familias de fermiones. Cada familia tiene dos tipos de fermiones, quarks y leptones. Los leptones a su vez se diferencian entre leptones cargados y leptones neutros. Entre los leptones cargados tenemos al electrón de todos los átomos, al muón y al leptón tau. Entre los leptones neutros tenemos tres neutrinos, cada uno asociado a un leptón cargado, es decir, el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tau. Para los leptones cargadas se cumple la ley de conservación del número leptónico: en toda desintegración el número de leptones de cada familia debe conservarse. Por ejemplo, si un muón se desintegra en un electrón, debe producirse un antineutrino electrónico y un neutrino muónico, para que el número de leptones tipo electrón y tipo muón se conserve. Sin embargo, el número leptónico no se conserva en los leptones neutrinos: un neutrino muónico puede cambiar de identidad y transformarse en un neutrino electrónico, o en un neutrino tau. A esta violación de la conservación del número leptónico se le llama oscilación de los neutrinos y sólo está permitida dentro del modelo estándar si los neutrinos son partículas con masa. Esta masa debe ser muy pequeña y los límites cosmológicos obtenidos por el telescopio Planck de la ESA en marzo de 2013 apuntan a que la suma de las masas de los tres neutrinos es menor que 0,24 eV, con un mejor ajusta para 0,06 eV. Este valor es muy pequeño. Recuerda que la masa del electrón, el leptón cargado más ligero es de 511.000 eV.

Hoy en día sabemos con toda seguridad que los neutrinos tienen masa, sin embargo, la incorporación de la masa de los neutrinos en el modelo estándar es un problema que aún no está del todo resuelto. La razón es sencilla. Hay dos posibilidades y no sabemos cuál es la correcta. Todo depende de si los neutrinos son partículas de Dirac, como los leptones cargadas, o son partículas de Majorana, al contrario que los leptones cargados. Veamos ambos casos por separado y cómo influyen en la opinión que expresa Goran Senjanović en su charla, de la que se hace eco Richard Ruiz, motivo de la pregunta que me hace Alex San en Twitter.

Los leptones cargados, como el electrón, el muón y el leptón tau son fermiones de Dirac y como tales corresponden a excitaciones cuánticas de un campo con cuatro componentes, divididas en dos parejas. Una pareja corresponde a la partícula y la otra pareja a la antipartícula. Recuerda que el campo electromagnético tiene dos componentes, eléctrica y magnética, y su partícula el fotón corresponde a la excitación simultánea de ambas componentes del campo (un fotón es una excitación localizada de campos eléctricos y campos magnéticos). El electrón también es una excitación cuántica de un campo que tiene dos componentes, que se llaman componente quiral izquierda y quiral derecha; su antipartícula, el positrón, es una excitación cuántica de otras dos componentes, totalizando el campo del electrón cuatro componentes, en lugar de dos, como el campo electromagnético. El electrón tiene masa porque sus dos componentes quirales (izquierda y derecha) interaccionan entre sí por medio del campo de Higgs. Las excitaciones de la componente izquierda interaccionan con el campo de Higgs y se transforman en excitaciones de la componente derecha, y viceversa. Gracias a esta interacción el electrón tiene masa. Los demás leptones cargados (y los quarks) tienen masa por un proceso físico análogo.

Si los neutrinos (leptones neutros) son partícula de Dirac, deben tener masa por el mismo proceso físico. Los neutrinos deberían tener dos componentes quirales, izquierda y derecha, que interaccionan entre ellas gracias al campo de Higgs. El problema es que los experimentos de física de alta energía nunca han observado las componentes derechas del neutrino; sólo se han observado las componentes izquierdas. Para los antineutrinos sólo se han observado las componentes derechas y nunca se han observado las componentes derechas. Esto es un grave problema para el modelo estándar porque requiere introducir un mecanismo especial que explique por qué las componentes derechas del neutrino (y las izquierdas del antineutrino) nunca han sido observadas en los experimentos hasta el día de hoy.

Se pueden matar dos pájaros de un tiro y explicar por qué los neutrinos tienen una masa tan pequeña, comparada con la del electrón, si se supone que las componentes quirales no observadas de los neutrinos existen pero tienen una masa muy grande, más allá de lo que pueden observar los experimentos actuales. Los neutrinos quirales derechos y los antineutrinos quirales izquierdos podrían existir pero no han sido observados porque su masa está más allá de lo que se puede observar en los experimentos. Esta solución se llama mecanismo seesaw (o mecanismo del columpio, o mecanismo del balancín). Igual que un columpio en el que se montan un adulto y un niño pequeño acaba con el niño por los aires y el adulto sentado en el suelo, este mecanismo permite explicar por qué los neutrinos izquierdos tienen una masa tan pequeña comparada con la del electrón si los neutrions derechos tienen una masa muy grande.

Este mecanismo parece una solución perfecta, pero tiene un problema. Hay que introducir un parámetro (una escala) de masa grande. El valor de este nuevo parámetro del modelo estándar requiere un ajuste fino del orden de 1 parte en un billón (una parte en un millón de millones). A muchos físicos una ajuste tan fino no les gusta. Más aún, muchos físicos creen que los ajustes tan finos como éste apuntan a la existencia de nueva física más allá del modelo estándar, nueva física que explique este ajuste fino, nueva física que aparezca a la escala de masas y/o energías asociada al nuevo parámetro. Hay mútiples posibilidades, como las teorías de gran unificación o la supersimetría. Por ello, Goran Senjanović en su charla nos dice que si el neutrino masivo es una partícula de Dirac tiene que haber nueva física más allá del modelo estándar. En cierto sentido, la masa del neutrino es un fallo del modelo estándar que no la explica sin recurrir a un ajuste fino demasiado fino. Y por tanto, poco natural.

Dibujo20130512 fermion dirac versus majorana

Pero hay otra posibilidad, que los neutrinos (leptones neutros) sean partículas de Majorana. Las partículas de Majorana son excitaciones de campos que tienen sólo dos componentes, como el campo electromagnético, pero a diferencia del electrón que tiene cuatro componentes. Por ello, las partículas de Majorana no tienen antipartículas, o lo que es lo mismo, estas partículas son sus propias antipartículas; una partícula de Majorana se puede aniquilar con otra partícula de Majorana (a diferencia de las partículas de Dirac en las que las partículas sólo se aniquilan al interaccionar con sus antipartículas). Si los neutrinos con masa son partículas de Majorana, se debería observar un proceso radiactivo llamado desintegración beta doble sin neutrinos, que está siendo buscado por muchos experimentos aunque todavía no ha sido observado. ¿Cómo obtienen masa las partículas de Majorana? El mecanismo de Higgs no permite explicar cómo obtienen masa las partículas de Majorana, por lo que si el neutrino es una partícula de Majorana, el modelo estándar no puede ser una teoría completa. Debe existir un mecanismo más allá del modelo estándar que explique cómo obtienen masa los neutrinos. Por supuesto se puede recurrir a una teoría de gran unificación o a la supersimetría para explicar la aparición de un término de masa asociado a las partículas de Majorana.

En resumen, hay dos posibilidades para los neutrinos masivos, que sean partículas de Dirac o de Majorana, pero en ambos casos, sobre todo en el segundo, se requiere nueva física más allá del modelo estándar para explicar el origen de su masa. Por ello Goran Senjanović nos dice en su charla que la existencia de neutrinos con masa es un fallo del modelo estándar que requiere nueva física más allá del modelo estándar. Espero haber contestado de una forma comprensible, y poco técnica, la pregunta que Alex San (@alexcalamaro) me formuló en Twitter.

Más información técnica para los interesados en Borut Bajc et al., “Probing seesaw at LHC,” Phys. Rev. D 76: 055011, 2007 [arXiv:hep-ph/0703080]; Goran Senjanovic, “Probing the Origin of Neutrino Mass: from GUT to LHC,” arXiv:1107.5322; Goran Senjanovic, “LHC and the origin of neutrino mass,” arXiv:0911.0029.

Como siempre, si no has escuchado aún mi podcast, disfrútalo en este enlace.

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6 pensamientos en “Francis en Trending Ciencia: La masa de los neutrinos y el modelo estándar

  1. Hola, Francis. Voy por partes…En tu frase:

    “(…)Para los leptones cargadas se cumple la ley de conservación del número leptónico: en toda desintegración el número de leptones de cada familia debe conservarse.(…)” Hay un error tipográfico. Es leptones cargadOs, masculino. Suele pasar al teclear a toda pastilla ;).

    Sobre los aspectos técnicos. Dado que mi tesis de Máster fue sobre neutrinos y me la supervisó uno de los mayores especialistas en fitting neutrino data e interpretación de experimentos de neutrinos desde un marco teórico, déjame hacer unas puntualizaciones:

    1º. A priori, el neutrino como fermión obtiene su masa también a partir del campo de Higgs. Desde un punto de vista puramente mínimo y esquemático, el único inconveniente del valor de las masas de los neutrinos conocidos (o más precisamente de los estados del campo del neutrino) es que su Yukawa vía mecanismo de Higgs es varios órdenes de magnitud más pequeño que otros fermiones. NO HAY ningún problema en eso (e insisto, como cuestión de principio) de que el neutrino sea masivo, Dirac y que tenga un Yukawa canijo. Es algo similar al problema de la jerarquía usual (o por qué M(escala electrodébil)<< M(Planck)). Puede que tenga una justificación o simplemente que no hemos ideado las teorías de forma que eso se entienda y sea "obvio". Feynman posiblemente diría que es un prejuicio el pensar que el hecho de que la masa de los neutrinos sea más pequeña que la del resto de fermiones (por cierto, al hecho de que m(neutrino)<>M(left), o equivalmente, M(D)<<M(M)) ayudaría a explicar muchos rompecabezas astrofísicos y quizás cosmológicos con una mínima adición de campos. Además, hay un caso "intermedio" entre masa de Dirac y masa de Majorana (en la forma en que yo entiendo todo esto). Podría ocurrir que los propios neutrinos fueran (cada uno de los 3 estados observados hoy, neutrino electrónico, neutrino muónico o neutrino tauónico) dos neutrinos de Majorana máximamente entrelazados separados por una superdiminuta diferencia de masa (sería así un sextete, y no un triplete, en sabor). Este caso también es muy interesante, tanto teórica como experimentalmente.

    Note,for experts (or advance readers): Por cierto, el que M(M_L) sea cero, la componente superior izquierda de la matrix de masas del seesaw(véase slide 12 de la charla), me lo explicó también mi supevisor de Máster…Si quieres que la teoría sea normalizable, debes anular esa componente para evitar tener interacciones (u operadores) que introducen infinitos que "no puedes meter debajo de la almohada de la maquinaria usual de renormalización de una teoría gauge local". Me llevó dos días entenderlo y comprender por qué es así mirando varios manuales y notas de QFT/neutrinos. Por supuesto, hay teorías BSM que incluyen tales términos, pero si adoptas el enfoque reduccionista, mínimo, y conservador que hasta ahora ha funcionado con el Modelo Estándar más allá de todo test al que se ha visto sometido. Y suponemos, porque la renomarlización ha funcionado hasta ahora, que una buena teoría física debería ser renormalizable (sea perturbativamente, tipo SM, o bien no perturbativamente, como QCD o como se sugiere ocurre con la gravedad asintóticamente libre). Si quieres una teoría renomarlizable, debemos imponer que la submatriz de masa M_L es cero, de otra forma, aparecen interacciones no renormalizables que uno debe "explicar"…Aunque siempre hay gente que "vive" a gusto en lugares no renormalizables…

    3º. Slide 48. Es un resumen compacto de las "principales" motivaciones por las que muchos pensamos que el neutrino podría ser una Majorana particle. El neutrino en versión supermínima (que hubiera sido un neutrino de Weyl SIN masas) está ya refutado por la observación de las oscilaciones del sabor de los neutrinos. Ciertamente parece que algo "ocurre" con los neutrinos y con los estados de quiralidad en la naturaleza en las interacciones débiles y electrodébiles, pero también podría ser sólo otro de nuestros prejuicios teóricos. El súmmum es pedir que el neutrino sea su propia antipartícula. Eso le volvería aún más singular de entre todas las partículas fundamentales…Porque permitiría procesos de violación de número leptónico, algo que NO sea ha visto aún, y de lo que la desintegración beta doble SIN neutrinos sería el ejemplo más simple (pero habría muchos otros por ser observados, con tecnología adecuada).

    Una cosa muy curiosa es que si los neutrinos dextrógiros o R ("derechos" en la nomenclatura de Francis en este artículo) existen, están bastante "separados" de la escala de oscilaciones de los neutrinos que observamos (de otra forma su efecto en las oscilaciones sería más "evidente"). Uno podría protestar, e intentar hacer fits/ajustes de modelos con neutrinos de todo tipo TODOS los datos actuales. Algunas anomalías se explican mejor en 1+3+1, otras con neutrino de Majorana, y algunos incluso usan 3+2 ó 3+3 modelos de neutrinos. Pero la verdad es que Cosmología cada vez limita estas opciones más, y pronto se podrá discriminar si es posible el espectro invertido de masa de neutrinos (el llamado espectro de neutrinos invertido no es más que el la idea de que los estados de masa se ordenan en una jerarquí M(1)<<M(2)<M(3), esto es, como el espectro de un átomo, mientras que el llamado espectro normal es como el de la física de partículas de los leptones cargados M(1)<M(2)<<M(3); casi nadie apuesta ya por el espectro cuasidegenerado aunque de vez en cuando leo sobre el tema algo…).

    En síntesis, un tema apasionante el de los neutrinos,…Prometo hacer algún thread en mi blog pronto sobre ellos…

    • Gracias, amarashiki, por tu comentario (hacía tiempo que no comentabas).

      • Nada, he pasado por un periodo depresivo bastante fuerte, necesitaba desconectar un poco de todo… Para volver con ganas a todos mis proyectos. He estado en Montmeló ayer como día final de “descanso de todo”…Y a fines de mes me voy por mi cuenta y riesgo a una conferencia de gravedad cuántica en Munich. La pu–da es que estando las listas de interinos como están, y con el nuevo “procedure”, si no me dan pronto insti me va a pasar lo mismo que me ha pasado para ir BCN: tendré que apurar para reservar en este caso un billete de avión a Munich. Quiero salir de la docencia, no veo la manera, y eso me está desesperando un poco la verdad, pero espero encontrar “mi tren”, si me permites la metáfora, antes de que sea “tarde”…

        Un saludo.

        PS: Que sepas que el que no comente no significa que no te “siga”, simplemente estoy reorientando alguna de mis prioridades en estos momentos…

  2. Y por cierto ¿donde están los neutrinos de alta energía? Parece que Icecube no ha visto ni de lejos la cantidad de neutrinos de alta energía que se preveía. Además ahora Strassler reporta que parece que Icecube tampoco ha detectado neutrinos de alta energía procedentes del reciente estallido de rayos gamma: http://profmattstrassler.com/2013/05/09/neutrinos-from-that-recent-gamma-ray-burst/#more-5954 y eso que este GRB estaba más cerca de lo habitual.
    ¿Otro misterio que apunta a física BSM o solamente un indicador de que nuestros modelos teóricos para estos eventos de inmensa energía están equivocados?

  3. Bueno, Planck…Creo que ya he comentado algo de eso… Hay varias opciones para el aparente y desconcertante silencio de nuetrinos de ultra-alta energía que predice el modelo estándar:

    1) SM rules, pero los cálculos de las secciones eficaces están mal en condiciones de degeneración. No nueva física, sino realmente, error en la comprensión de los modelos estelares y el colapso-explosión de las supernovas. Nota histórica: SN1987A fue un ejemplo de “no new physics”, simplemente había que tocar los modelos de colapso…No creo que se haya visto todo ahí aún. Es la opción más conservadora.

    2) Los neutrinos de ultraalta energía están por ahí, pero algo les pasa en su camino a la Tierra con una leve modificación del SM y/o los detectores no los detectan como deberían. Nota: ésta fue una de las razones por las que se añadió DeepCore al diseño de IceCube original. El resultado paradójico es que no ha mejorado demasiado la “señal” que según el SM debería haber. Es la opción “radical” menos retorcida.

    3) Nueva Física entra en el sector neutrino a ultra alta energía. Sería la bomba…Y es lo que muchos sospechamos, pero la cuestión es…¿A dónde se va la energía de los neutrinos de ultra alta energía?

    1, 2 ó 3¿? Cualquiera de las opciones requerirá chequeos independientes en Física de colisionadores y/o rayos cósmicos. o bien en “observaciones” astrofísicas particulares.

  4. Muy comprensible! Sobre esta cuestión nunca había encontrado nada que lo explicara tan claramente, y menos en español
    Muchas gracias y felicidades

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