Matriz PMNS
La matriz PMNS es la forma matemática de la oscilación de neutrinos. Describe cómo las tres especies de neutrinos que se producen y miden se relacionan con los tres estados que poseen una masa determinada.
Su nombre remite a Pontecorvo, Maki, Nakagawa y Sakata.
Dos maneras de describir un neutrino
El núcleo del asunto es una distinción a la que hay que acostumbrarse primero.
Cuando una desintegración beta produce un neutrino, nace un neutrino electrónico — definido por el hecho de que aparece junto a un electrón. Ese es un estado de la interacción débil.
Si la partícula se desplaza a continuación por el espacio, no es este estado el determinante, sino la masa. Y los estados de masa determinada no son los mismos que los estados de especie determinada.
Un neutrino electrónico no es, pues, un estado de masa único, sino una superposición de tres. Estos tres se propagan a velocidades ligeramente distintas, se desfasan — y en la siguiente detección la misma superposición puede aparecer como neutrino muónico o tauónico.
La matriz PMNS es la tabla que convierte ambas descripciones una en otra.
Qué contiene
Una conversión 3×3 de este tipo se deja describir mediante cuatro números: tres ángulos de mezcla y una fase.
| Magnitud | valor medido | dónde se determina |
|---|---|---|
| θ₁₂ | unos 33 grados | neutrinos solares, KamLAND |
| θ₂₃ | unos 49 grados | neutrinos atmosféricos, T2K |
| θ₁₃ | unos 8,6 grados | Daya Bay, T2K |
| δ_CP | aún indeterminada | T2K, en el futuro DUNE |
Un ángulo de cero significaría: ninguna mezcla, ninguna oscilación. Cuanto mayor es el ángulo, más completamente pasa una especie a otra.
La comparación que ocupa a los físicos
Para los quarks existe una tabla correspondiente, la matriz CKM. Y sus ángulos son pequeños — el mayor está en unos 13 grados, los demás por debajo. Los quarks se mezclan, pues, solo poco.
En los neutrinos ocurre al revés: dos de los tres ángulos son grandes, uno de ellos cercano a 45 grados, lo que corresponde a una mezcla máxima.
Por qué las dos familias de partículas se comportan de manera tan distinta, nadie lo sabe. Es una de las cuestiones fundamentales abiertas del modelo estándar — y una de las razones por las que la física de neutrinos pasa por ser el lugar más prometedor en cuanto a sorpresas.
El último número abierto
El parámetro δ_CP decide si los neutrinos y los antineutrinos se comportan de manera distinta.
Si valiera cero o 180 grados, se comportarían igual. Cualquier otro valor significa una asimetría — y con ello una posible contribución a la explicación de por qué el universo está hecho de materia y no de nada.
T2K excluyó en 2020 una gran parte del rango de valores y encontró que los datos concuerdan mejor con una diferencia clara. Para decidir no basta con eso; para ello se construyen Hyper-Kamiokande y DUNE.
Lo que la matriz no dice
Dos cosas quedan fuera.
Las masas mismas. La oscilación solo aporta diferencias de cuadrados de masas, nunca valores absolutos. Para eso hacen falta KATRIN o la cosmología.
El orden. Cuál de los estados de masa es el más pesado es desconocido. JUNO debe decidirlo.
Si los neutrinos fueran además partículas de Majorana, se añadirían dos fases más, que solo se manifestarían en la doble desintegración beta sin neutrinos.
Términos relacionados
- Oscilación de neutrinos — el proceso descrito
- Bruno Pontecorvo — la P del nombre
- Efecto MSW — la mezcla en la materia
- Masa del neutrino
Fuentes
- Z. Maki, M. Nakagawa, S. Sakata: Remarks on the Unified Model of Elementary Particles, Progress of Theoretical Physics 28, 870 (1962).
- Particle Data Group: Review of Particle Physics, sección Neutrino Mixing.