¿Los neutrinos son masivos?

Steven Weinberg es claro al afirmar en su libro “Sueños de una teoría final”, que el Modelo estándar es solo una aproximación de baja energía a una teoría unificada realmente fundamental y que pierde su validez en energías como la energía de Planck. Y luego agrega: “En el Modelo Estándar, mantener a los neutrinos sin masa, pero esperaríamos que los neutrinos tuvieran masas pequeñas, aproximadamente de una centésima a una milésima de voltio o, en otras palabras, aproximadamente una milmillonésima parte de la masa de un electrón.

La masa es demasiado pequeña para haber sido notada en cualquier experimento de laboratorio realizado hasta ahora, pero podría tener un efecto sutil, al permitir que los neutrinos que comienzan como neutrinos de tipo electrónico se conviertan lentamente en neutrinos de otros tipos (disminuyendo su λ) . Esto puede explicar un rompecabezas de larga data, que se detecta que menos neutrinos de lo esperado provienen del sol ”.

Estas suposiciones son correctas, y así:
1. El Modelo Estándar no logra negar las masas de neutrinos.
2. El Modelo Estándar es solo una aproximación a las partículas de materia de nuestro Universo, considerando solo la escala más ligera aproximadamente.
3. Esta supuesta masa del neutrino de tipo electrónico, según Steven Weinberg, es prácticamente exacta; y es la mejor aproximación de todas las antiguas masas supuestas de este neutrino.
4. Parece que faltan los neutrinos de tipo electrónico, porque a medida que pasan a través del sol, se convierten en neutrinos de otros tipos.

Masas de neutrinos normales: ya no se supone que no tengan masa. Sus valores teóricos son aproximadamente:
Neutrino electrónico: 1.13 × 10 ^ -14 GeV
Mu neutrino: 2 × 10 ^ -9 GeV
Tau neutrino: 1 × 10 ^ -6 GeV
Supuesto neutrino pesado estéril (neutronio): 132 GeV (un WIMP).

Si una partícula es masiva o no está estrechamente vinculada a las ideas de la Relatividad Especial, y puede discutirse sin invocar las propiedades detalladas de los neutrinos:

Una partícula masiva en el sentido en que se usa el término aquí es para decir que la partícula tiene un peso (o masa ) que no es cero.

Una forma en que se puede observar la masa de un objeto es en la forma en que es arrastrada por la fuerza gravitacional, pero otra forma es en la inercia que tiene, por lo que si tiene dos objetos de masa diferente, debe dar el objeto con el masa más grande una patada más grande que la masa más pequeña si quiere que ambos se muevan de la misma manera.

Por el contrario, cuanto más pequeña es la masa de un objeto, más pequeña es la patada que necesitas para ponerla en marcha, y si la masa de un objeto es cercana a cero, la película más pequeña lo hará volar. Si la masa de la partícula es infinitamente pequeña, o en otras palabras, no tiene masa, entonces un movimiento infinitamente pequeño hará que viaje lo más rápido posible.

La velocidad más rápida posible es la velocidad de la luz, por lo que esto significa que una partícula sin masa siempre viajará a la velocidad de la luz. Por eso, dado que el fotón es una partícula sin masa, todos los fotones deben viajar a la velocidad de la luz para ser consistentes con la Teoría especial de la relatividad de Einstein.

Otra conclusión de la Teoría especial de la relatividad es la dilatación del tiempo , lo que significa que cuanto más rápido va un objeto, más tiempo se ralentiza desde el punto de vista de un observador estacionario. Si el objeto tiene convenientemente un reloj adjunto, entonces se verá que el reloj, a medida que pasa, avanza más lentamente que uno que está parado. La “paradoja del gemelo” es un ejemplo de esto, donde un gemelo que se va en un cohete muy rápido y regresa habrá envejecido mucho menos que el gemelo que lo estaba esperando en casa.

En el caso extremo de que el objeto viaje lo más rápido posible, es decir, a la velocidad de la luz, entonces el tiempo se ralentizará tanto que realmente se detendrá, y un gemelo que viaje a la velocidad de la luz no envejecería a todos, aunque eso no es realmente una propuesta práctica!
Entonces, si los neutrinos no tuvieran masa, viajarían a la velocidad de la luz y el tiempo se congelaría para ellos.

Si el tiempo estuviera realmente congelado para los neutrinos, no podrían cambiar de ninguna manera a medida que viajan largas distancias, a menos que, por supuesto, golpeen o interactúen con algo mientras lo hacen.

Fueron las observaciones del experimento Super-Kamiokande, de neutrinos producidos en la parte superior de la atmósfera, lo que nos permitió comprender esta pieza del gran rompecabezas que es el universo. Los neutrinos se producen continuamente en la atmósfera, a unos 20 kilómetros de la superficie de la Tierra, y muchos de ellos descienden hacia el suelo. El efecto de la materia de la Tierra sobre los neutrinos es insignificante, ya que los neutrinos son notoriamente esquivos porque viajan fácilmente a través de la materia sin interactuar, por lo que la Tierra es efectivamente transparente para ellos.
Entonces, Super-K puede ver neutrinos desde abajo y desde arriba , y descubrió que los neutrinos que bajan desde arriba son diferentes de los que suben desde abajo. Los neutrinos desde abajo vistos por Super-K en Japón han tardado aproximadamente una décima de segundo en volar el diámetro de la Tierra, habiéndose producido en el cielo en algún lugar cerca de Uruguay, mientras que los de arriba solo viajan 20 kilómetros y toman un milésima parte del tiempo para llegar a Super-K.

El gran descubrimiento fue que la mezcla y las tasas de los tipos de neutrinos que se ven desde arriba y abajo son diferentes de una manera que solo se puede explicar si los neutrinos están cambiando a medida que viajan.

Los detalles se pueden encontrar en http: //www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp…. La siguiente imagen muestra los diferentes caminos que toman los neutrinos desde arriba y desde abajo (bueno, en esta imagen, en ángulos un poco fuera de la vertical):

La conclusión es que vemos que los neutrinos se transforman de una manera que depende del tiempo, lo que significa que su reloj no se detiene y el tiempo no se congela.
ellos, por lo que no pueden viajar a la velocidad de la luz, lo que significa que no tienen masa cero. Es decir, los neutrinos son masivos .

Bueno, es complicado.

Los neutrinos tienen eigenstates en masa y eigenstates de sabor. Si lo colapsas a un estado propio masivo, su sabor no está definido, y si colapsas a un estado propio puro, su masa es indefinida.

Sin embargo, experimentalmente, solo hemos medido la diferencia en cuadrados de masas entre diferentes sabores de neutrinos, con cierto nivel de incertidumbre tanto en masa como en sabor, para poder obtener una medición bien definida.

Sí, los neutrinos tienen masa. Hay tres sabores de neutrinos: neutrinos de electrones, neutrinos de muón y neutrinos de tau que están asociados con las tres generaciones de leptones: electrones, muones y leptones de tau. Las numerosas mediciones experimentales que confirman que un sabor de neutrino puede oscilar a los otros sabores de neutrinos solo es posible si los neutrinos tienen masa. Sin embargo, no sabemos los valores de masa exactos.

Existe evidencia del crecimiento de la estructura en el universo de que la suma de las masas de los tres neutrinos tiene que ser inferior a 0.5 eV (que es menos de una millonésima parte de la masa del electrón).

Los experimentos de oscilación solo son sensibles a la diferencia en los cuadrados de las masas de neutrinos, por lo que no pueden establecer valores de masa absolutos para los neutrinos individuales. Los valores conocidos de las diferencias de la masa al cuadrado de los experimentos de oscilación implican que el tipo de neutrino más pesado no puede ser menos masivo que aproximadamente 0.05 eV. El neutrino más ligero podría ser, en principio, sin masa, aunque esto sería sorprendente para la mayoría de los físicos.

Sí, pero muy poco, y no sabemos cuán poco. La última cifra que vi fue un límite superior de 12 eV.

¿Cómo sabemos que tienen masa si no podemos pesarlos? Porque el tiempo pasa para ellos. Los neutrinos oscilan entre tres formas posibles (electrón, muón y tau). Para oscilar, deben ver el tiempo, lo que significa que no pueden viajar a la velocidad de la luz, ya que el tiempo no existe para las cosas que viajan a esa velocidad. Pero las partículas sin masa siempre viajan a la velocidad de la luz. Por lo tanto, los neutrinos no pueden ser sin masa.

Si. Deben tener porque cambian de tipo.

Hay neutrinos Electron, neutrinos Muon y neutrinos Tau. En su viaje a la tierra, el neutrino puede cambiar entre estos tipos.

Si no tuvieran masa, viajarían a la velocidad de la luz.
Pero si viajaran a la velocidad de la luz, no podrían cambiar internamente, ya que el reloj interno se detendría efectivamente.
Por lo tanto, deben tener una masa.