¿Dónde están todos los neutrinos lentos?

Estrictamente hablando, es incorrecto que los neutrinos viajen "cerca de la velocidad de la luz". Como dijiste, dado que tienen masa, pueden tratarse como cualquier otro objeto masivo, como bolas de billar. Y como tales, solo viajan a casi la velocidad de la luz en relación con algo. En relación con otro neutrino en movimiento conjunto, estaría en reposo.

Sin embargo, la declaración sigue siendo cierta para casi todos los propósitos prácticos. Y ni siquiera importa en qué marco de referencia mires un neutrino. La razón es que un neutrino no relativista no interactúa con nada. O dicho de otro modo: todos los neutrinos que puedas detectar necesariamente tienen que tener velocidades relativistas.

Déjame elaborar. Dado que los neutrinos solo interactúan débilmente, ya son extremadamente difíciles de detectar, incluso si tienen altas energías (> GeV). Si vas a energías cada vez más bajas, la sección transversal de interacción también disminuye más y más. Pero hay otro punto importante. La mayoría de los procesos de interacción de neutrinos tienen un umbral de energía para ocurrir. Por ejemplo, el decaimiento beta inverso

en el que un antineutrino convierte un protón en un neutrón y un positrón, y que a menudo se utiliza como proceso de detección de neutrinos, tiene un umbral de energía de antineutrino de 1,8 MeV. El neutrón y el positrón son más masivos que el antineutrino y el protón, por lo que el antineutrino debe tener suficiente energía para producir el exceso de masa del estado final (1,8 MeV). Por debajo de esa energía, el (anti)neutrino ya no puede sufrir esta reacción.

Una reacción con un umbral particularmente bajo es la dispersión elástica de un electrón en un átomo. Esto solo requiere un umbral de energía del orden de eV (que se necesita para poner el electrón en un nivel de energía atómica más alto). ¡Pero un neutrino con energías eV seguiría siendo relativista!

Suponiendo que un neutrino tiene una masa de alrededor de 0,1 eV, esto todavía significaría un factor gamma de$\gamma\approx 10$. Para que un neutrino no sea relativista, tendría que tener una energía cinética en el rango de mili-eV e inferior. Este es el rango de energía esperado de los neutrinos de fondo cósmico , reliquias de los primeros tiempos del universo. Son, por así decirlo, la versión de neutrinos del Fondo Cósmico de Microondas. Entonces, no solo existen neutrinos no relativistas (según los modelos cosmológicos convencionales), sino que también están a nuestro alrededor. De hecho, su densidad en la Tierra es$\approx$¡50 veces más grande que los neutrinos del Sol!

Existe un gran debate sobre si alguna vez se pueden detectar experimentalmente. Hay algunas sugerencias (e incluso un experimento prototipo ), pero hay opiniones diferentes sobre la viabilidad práctica de tales intentos. El único proceso que queda para los neutrinos a energías tan pequeñas es la descomposición inducida por neutrinos de núcleos inestables . Si ya tiene un isótopo radiactivo, es como si el neutrino le diera un pequeño "empujón sobre el borde". los$\beta$-el electrón liberado en el decaimiento inducido recibiría entonces una energía ligeramente mayor que el valor Q del decaimiento espontáneo y la firma experimental sería un pequeño pico a la derecha del normal$\beta$-espectro. Este seguirá siendo un proceso extremadamente raro y el gran problema es construir un aparato con una resolución de energía lo suficientemente buena para que el pico pueda distinguirse del espectro de la descomposición nuclear espontánea normal (en medio de todo el fondo). El experimento de Katrin trata de medir el punto final de$\beta$-espectro de Tritio para determinar la masa del neutrino. Pero en circunstancias muy favorables, incluso tienen alguna posibilidad de detectar tal firma de neutrinos de fondo cósmico.

TL; DR: De hecho, hay neutrinos no relativistas por todas partes, pero interactúan tan tremendamente que parece que no existen en absoluto.

La detección experimental de neutrinos lentos es ciertamente un gran problema, pero muy importante.

El fondo de neutrinos cósmicos está a una temperatura de alrededor de 2K y es probable que consista en neutrinos no relativistas para masas plausibles de neutrinos en reposo, con una densidad de alrededor de 340 cm.$^{-3}$(todos los sabores). Está a esta baja temperatura precisamente por la razón que sugiere: se emitió con un corrimiento al rojo de alrededor$10^{10}$.

Por supuesto, existe evidencia indirecta de estos neutrinos del fondo cósmico de microondas ( Follin et al. 2015 ), pero se están realizando esfuerzos para detectar directamente estos neutrinos; consulte Faessler et al. (2016) y KATRIN .

Un pensamiento interesante es que si de alguna manera pudiera colocar su aparato en una plataforma móvil, entonces habría un cambio apreciable en el C$\nu$Eficiencia de detección B en la dirección "hacia delante" si pudiera acelerar a velocidades relativistas. Supongo que este es el escenario opuesto a su pregunta: estaría haciendo que los neutrinos lentos sean relativistas por su movimiento relativo.