¿Nuestra falla en detectar la doble desintegración beta sin neutrinos significa un problema para el mecanismo de balancín?

El mecanismo de balancín es un modelo teórico de las masas de los neutrinos que tiene el beneficio adicional de (posiblemente) explicar de forma natural por qué los neutrinos son mucho más ligeros que las otras partículas masivas del modelo estándar. Se trata de añadir "neutrinos estériles" pesados ​​con masas de Majorana del orden de la escala GUT. El mecanismo de balancín predice que (para una generación de leptones) la media geométrica de las masas de neutrinos ligeros y pesados ​​debería estar "naturalmente" en el orden de las otras masas de partículas del Modelo Estándar (la historia es similar para múltiples generaciones de leptones). Esta predicción parece ser experimentalmente plausible en base a las estimaciones de las masas de neutrinos (ligeros) que provienen de las oscilaciones de neutrinos y otras observaciones.

El mecanismo de balancín también predice la violación de la conservación del número total de leptones. Se cree que la firma experimental más clara de esta violación es el proceso de desintegración doble beta sin neutrinos. Muchos experimentos han intentado detectar NDBD, pero hasta ahora ninguno ha tenido éxito (según los estándares de calidad y reproducibilidad de la comunidad física).

  1. ¿Cuál es el orden de magnitud de la tasa cuantitativa de NDBD predicha por el mecanismo de balancín (con las masas de Majorana de neutrinos estériles en la escala GUT)? (Sé que hay diferentes variaciones del mecanismo de balancín, pero presumiblemente todas están de acuerdo dentro de unos pocos órdenes de magnitud).
  2. ¿Cuál es el límite superior de la tasa NDBD que no ha sido descartado por el experimento?

Tengo curiosidad por saber cómo se comparan estos dos valores. ¿Cuál de estas declaraciones es el mejor resumen de la situación actual?

R. El mecanismo de balancín (con valores "naturales" para las masas Majorana pesadas) predice tasas de NDBD que son claramente más altas que nuestros límites experimentales actuales. El mecanismo de balancín "natural" está en problemas.

B. El mecanismo de balancín predice tasas de NDBD que son mucho más bajas que las capacidades experimentales actuales y previsibles para detectar. No podremos confirmar o rechazar el mecanismo de balancín "natural" durante muchos años, si es que lo hacemos alguna vez.

C. El mecanismo de balancín predice tasas de NDBD que están en o solo ligeramente por debajo de nuestras capacidades experimentales actuales para detectar. Podríamos detectarlo plausiblemente en un futuro próximo. (Cabe señalar que los físicos investigadores tienen un incentivo personal para exagerar la probabilidad de este escenario).

D. El mecanismo de sube y baja "natural" tiene tantas incógnitas y tanto margen de maniobra que ni siquiera puede precisar la tasa NDBD dentro de unos pocos órdenes de magnitud. Por lo tanto, la teoría no tiene mucho poder explicativo y, en el mejor de los casos, solo puede dar explicaciones retrodictivas en lugar de predicciones.

(Nota: las masas de neutrinos activos, y por lo tanto la tasa de NDBD, pueden reducirse arbitrariamente haciendo que los neutrinos estériles sean lo suficientemente pesados. Pero esto no resuelve el problema de la jerarquía de masas de neutrinos; simplemente cambia la cuestión de por qué los neutrinos activos son tan ligeros a la pregunta de por qué los neutrinos estériles son tan pesados. Para preservar la naturalidad, necesita que las masas de los neutrinos estériles estén en la misma escala que la otra gran escala de energía en el modelo estándar: la escala GUT).

Lectura obligada . Fin de la sección 2.1.
@CosmasZachos ¿Entonces parece que la respuesta es D? No hay ninguna razón particular para creer que la cuestión de si los neutrinos tienen términos de masa Majorana se resolverá en un futuro previsible.
Sí, parece una D con un guión de B... El mecanismo, hasta ahora es un dispositivo pedagógico para organizar el pensamiento en la comunidad. Ha sido, desde sus inicios, como testigo.

Respuestas (1)

La respuesta es D, pero no por la malicia de nadie, es solo la mano que la naturaleza nos ha dado.

La tasa de desintegración doble beta sin neutrinos es proporcional a | metro β β | 2 , dónde metro β β es la "masa de Majorana efectiva", que a su vez depende de los elementos de la matriz PMNS. Aquí hay una trama de | metro β β | en función de la masa del neutrino más ligero, a partir de una revisión reciente .

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Hay un par de puntos que hacer sobre esta trama.

  • El espacio de parámetros esperado para el mecanismo de balancín de vainilla aún no se ha probado en absoluto. Muchos experimentos anteriores eran prototipos destinados a ser ampliados. Desafortunadamente, cada vez que uno de estos prototipos no ve nada (lo cual es completamente compatible con nuestras expectativas), una oleada de comunicados de prensa declara que "¡el experimento descarta las masas de Majorana!" Este es un patrón general para los experimentos de BSM que nos hace parecer despistados: si solo lee las noticias, fácilmente tendrá la falsa impresión de que hemos descartado WIMP, axiones y neutrinos estériles cien veces ahora.
  • Aquí no hay epiciclos. La gráfica solo muestra las expectativas más básicas para el mecanismo de balancín más simple posible, asumiendo solo que existen neutrinos estériles pesados ​​con términos de masa de Majorana, y podrían haberse dibujado de la misma manera hace 40 años. Solo hay dos opciones, correspondientes a si el tercer neutrino es más pesado ("normal") o más liviano ("invertido") que el resto. Por supuesto, puede agregar epiciclos para hacer que el experimento sea más difícil, pero nadie ha tenido que hacer eso.
  • Los experimentos de próxima generación, en construcción ahora, tienen un claro objetivo físico de sondear las masas de Majorana para la jerarquía de neutrinos invertida. Los postes de la portería no han cambiado: el mismo objetivo ha estado allí durante décadas y podría haberse investigado en ese entonces con más fondos. (De hecho, los epiciclos funcionan al revés: los experimentos predecesores menos sensibles podrían haber sido motivados por modelos más complicados, como tener las masas de los tres neutrinos altas y usar un truco para sortear las restricciones cosmológicas resultantes. Estamos probando más simple modelos ahora que hace una década).
  • La jerarquía "normal", que posiblemente sea más probable, desafortunadamente puede producir una interferencia destructiva en | metro β β | , bajándolo drásticamente. Una vez más, no es un truco del constructor de modelos; desafortunadamente, así es como se desarrolla el escenario más simple posible.
Esto puede ser solo una objeción, pero en realidad no describiría la situación que ha explicado como la opción D, que quería indicar que el mecanismo de balancín no puede explicar si no esperaríamos haber observado ya NDBD con nuestros experimentos actuales. Diría que su explicación corresponde a la opción C para la jerarquía de neutrinos invertidos y la opción B para la jerarquía normal.
Además, si pudiera editorializar un poco con respecto a su punto 1: creo que los experimentadores que proponen, diseñan y construyen estos experimentos comparten parte de la culpa con los periodistas por dar una impresión engañosa de sus fallas para detectar la física BSM. Por lo general, describen sus experimentos futuros como "pueden detectar [algún fenómeno físico de BSM]", sin transmitir ninguna estimación (incluso cualitativa) de la probabilidad de éxito del experimento. Como tal, es natural que los no expertos asuman que había una probabilidad teórica decente de que los experimentos hubieran...
... detectó el fenómeno si realmente ocurrió en la naturaleza, por lo que el fracaso del experimento cambia significativamente la estimación bayesiana de la probabilidad de existencia del fenómeno. Entiendo que, desde la perspectiva de la recepción de subvenciones, no se ve muy bien escribir "Existe una pequeña posibilidad de que nuestro experimento propuesto detecte X, pero incluso si X existe, es casi seguro que no lo detectaremos". Pero creo que la honestidad intelectual requiere que cualquier propuesta experimental intente evaluar y transmitir claramente la probabilidad del orden de magnitud del experimento...
... siendo realmente capaz de detectar el fenómeno en cuestión, dados los modelos teóricos más naturales.
¿Nuestra falla en detectar la doble desintegración beta sin neutrinos significa un problema para el mecanismo de balancín?
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