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Artículo publicado por Hamish Johnston el 9 de diciembre de 2015 en physicsworld.com

La mejor medida hasta el momento del tiempo de vida del electrón sugiere que una partícula presente en la actualidad, probablemente seguirá por ahí dentro de 66 000 yotta-años (6,6 × 1028 años), que es aproximadamente cinco trillones de veces la edad actual del universo. Ésta es la conclusión a la que han llegado los físicos que trabajan en el experimento Borexino, en Italia, que han estado buscando pruebas de la desintegración del electrón en un fotón y un neutrino; un proceso que violaría la conservación de la carga eléctrica y apuntaría hacia una física no descubierta más allá del Modelo Estándar.

Detector borexino

Detector de Borexino

El electrón es el portador de menor masa de la carga eléctrica negativa conocido por los físicos. En caso de desintegrarse, la conservación de la energía nos dice que el proceso implicaría la producción de partículas de menor masa, como neutrinos. Pero todas las partículas con una masa menor que el electrón no tienen carga eléctrica, por tanto, la carga del electrón debe “desaparecer” durante cualquier hipotético proceso de desintegración. Esto viola la “conservación de la carga”, que es un principio parte del Modelo Estándar de la física de partículas. Como resultado, el electrón se considera como una partícula fundamental que nunca se desintegra. No obstante, el Modelo Estándar no explica adecuadamente todos los aspectos de la física y, por tanto, el descubrimiento de un electrón que se desintegra podría ayudar a los físicos a desarrollar un modelo de la naturaleza nuevo y mejorado.

Esta última investigación en busca de la desintegración del electrón se realizó en el detector Borexino, que está diseñado principalmente para estudiar neutrinos. Se sitúa en las profundidades de una montaña bajo el Laboratorio Nacional Gran Sasso, de forma que pueda escudarse de los rayos cósmicos, y consta de 300 toneladas de líquido orgánico monitorizado por 2212 fotomultiplicadores.

A la caza del fotón

El equipo de Borexino se centró en un proceso específico de desintegración en el cual, un electrón dentro del líquido orgánico se desintegra en un neutrino electrón y un fotón con una energía de 256 keV. Este fotón pasa entonces a interactuar con los electrones del líquido para producir un destello de luz distintivo que se detectar en los fotomultiplicadores.

Los físicos bucearon entre todas las señales de los fotomultiplicadores registradas desde enero de 2012 hasta mayo de 2013, buscando la firma del fotón de 256 keV. Para hacer esto, primero tenían que eliminar las señales de distintos procesos no relacionados que tienen lugar en el detector, y que producen una cantidad similar de luz similar a los fotones de 256 keV. Estos procesos incluyen la desintegración radiactiva de varias trazas de isótopos en el detector, así como la luz procedente de las colisiones de neutrinos, que es para lo que se diseñó Borexino. Tras tener en cuenta estas señales de fondo, el equipo estuvo en disposición de decir que no se observaron desintegraciones de electrones durante los 408 días de funcionamiento.

El líquido orgánico de Borexino contiene un gran número de electrones (aproximadamente 1032), y el hecho de que ningún electrón se desintegrase durante la búsqueda permitió al equipo estimar un valor mínimo para el tiempo de vida medio del electrón. El mínimo establecido por los investigadores es de 6,6 × 1028 años, que es 100 veces más que la anterior estimación del límite inferior, 4,6 ×1026 años. Esta medida se realizó en 1998 en Borexino Counting Test Facility, precursora del experimento actual.

Canales invisibles

Gianpaolo Bellini, portavoz de Borexino, comentó a physicsworld.com que si el detector pudiese purificarse aún más para eliminar virtualmente toda la radiación de fondo, la medida del tiempo de vida mínimo podría aumentarse a más de 1031 años. Señala que Borexino también podría usarse para buscar la desintegración del “canal invisible” por el cual un electrón se convierte en tres neutrinos, o podría incluso buscar la “desaparición” de un electrón en dimensiones adicionales.

Victor Flambaum de la Universidad de Nueva Gales del Sur, en Australia, declaró a  physicsworld.com que la búsqueda de la violación de simetrías aparentes es algo muy importante, dado que incluso una mínima violación puede tener profundas implicaciones sobre nuestra comprensión del universo. Flambaum, que no es miembro del equipo de Borexino, señala que el descubrimiento experimental de que se viola la simetría de carga-paridad (CP) se realizó observando la desintegración de los kaones. La violación CP desempeña un papel importante en nuestra comprensión actual de por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo.

El trabajo se publica en la revista Physical Review Letters.

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