¿Qué medida experimental podría usarse para demostrar que un neutrino es una partícula de Majorana y no de Dirac?

Primero, aclaremos algo de terminología: la afirmación habitual "los fermiones de Majorana son sus propias antipartículas" es correcta, pero confusa porque las palabras que solemos usar para describir los neutrinos están hechas para los fermiones de Dirac.

Si los neutrinos no tuvieran masa, habría dos tipos independientes de neutrino: un neutrino zurdo y otro diestro. Estas partículas se pueden distinguir por las reacciones en las que participan. Por ejemplo, en$\beta$decaen, sólo salen neutrinos dextrógiros, mientras que en$\beta^+$decae, sólo salen neutrinos zurdos.

Si los neutrinos son Dirac, el 'neutrino diestro' anterior se interpreta como un antineutrino, y así lo llamamos en el modelo estándar, por ejemplo, decimos que los antineutrinos se producen en$\beta$decadencia.

Si los neutrinos son Majorana, significa que el 'neutrino diestro' de arriba no es una antipartícula. No significa que los neutrinos zurdos y diestros sean lo mismo, ya que participan en reacciones diferentes . Sin embargo, un término de masa de Majorana permitiría que los neutrinos oscilaran entre los estados zurdos y diestros.

Por lo tanto, podemos probar que el neutrino es Majorana observando un neutrino zurdo que se convierte en un neutrino derecho; o, en el lenguaje de Dirac, un neutrino "convirtiéndose en un antineutrino". Entonces, en principio, cualquiera de los siguientes experimentos podría funcionar:

• Dirija un haz de neutrinos a un objetivo y busque una reacción que solo podría ser causada por un antineutrino.
• Dirija dos haces de neutrinos entre sí y busque la aniquilación de pares (solo es posible si algunos neutrinos se convierten en antineutrinos).

Estos experimentos no son factibles porque los neutrinos no interactúan mucho y es difícil eliminar el fondo. Un problema mayor es que los neutrinos se mueven muy cerca de$c$, y por lo tanto experimentar mucha dilatación del tiempo; eso significa que la transición entre neutrinos y antineutrinos es muy lenta.

La configuración experimental real es tratar de detectar la desintegración beta doble sin neutrinos , o '$0\nu \beta \beta$'. Este es el proceso en el que ocurren dos desintegraciones beta a la vez, formando dos antineutrinos, y luego un antineutrino se convierte en un neutrino y el par se aniquila.

Es fácil saber si$0\nu\beta\beta$ocurrió, porque al final de la reacción, no habría neutrinos para llevar energía. Entonces esperas ver dos electrones salir uno al lado del otro con energía casi exactamente igual a$E/2$, dónde$E$es la energía liberada, dando un golpe muy fuerte en la sección transversal. Por razones técnicas,$0\nu \beta\beta$también se favorece cinemáticamente sobre$2\nu\beta\beta$por un factor de$10^6$, por lo que es más fácil de detectar.

Solo intentaré agregar lo que dijo knzhou sobre el primer experimento posible para identificar si los neutrinos son partículas de Majorana o Dirac.

Entonces, considere una situación en la que el neutrino muón está en reposo en medio de una habitación con giro hacia abajo. Considere que hay dos objetivos, uno es el objetivo superior (ubicado sobre el neutrino) y el otro es el objetivo inferior (ubicado debajo del neutrino). Supongamos que el neutrino se aceleró hacia arriba y golpeó el objetivo, puede producir una partícula de muón (porque la dirección acelerada hacia arriba es una partícula zurda, lo que implica una partícula de neutrino). Ahora considere la otra situación en la que la partícula aceleró hacia abajo y golpeó el objetivo, produce un muón antipartícula, esto implica que el neutrino es una partícula majorana (porque el neutrino RH no se ha observado en la naturaleza, por lo que debería ser un antineutrino RH, por lo que resultará en una antipartícula muón) y si el neutrino es una partícula muón antipartícula de Dirac la partícula no se producirá de esta manera.