En los últimos años, diversos experimentos de física a gran escala han estado en la búsqueda de evidencias de un proceso nuclear conocido como la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ). Este fenómeno es extremadamente raro y consiste en la descomposición simultánea de dos neutrones en un núcleo, transformándose en dos protones, sin la emisión de neutrinos, a diferencia de la desintegración beta doble estándar.
La observación de la desintegración beta doble sin neutrinos podría tener importantes implicaciones para el estudio de la materia y la antimateria. De hecho, confirmaría la hipótesis de que los neutrinos y sus antipartículas (los antineutrinos) son la misma entidad, una idea propuesta por el físico teórico Ettore Majorana en 1937.
El experimento AMoRE y su relevancia
La colaboración AMoRE (Advanced Mo-based Rare Process Experiment) es un equipo de investigación internacional que ha estado investigando la desintegración beta doble sin neutrinos utilizando cristales de molibdato que operan a temperaturas de milikelvin. En un artículo publicado en Physical Review Letters, los investigadores han presentado los resultados de su búsqueda más reciente, estableciendo nuevas limitaciones que podrían orientar futuros esfuerzos en la observación de este raro proceso nuclear.
Yoomin Oh, autor correspondiente del estudio, destacó la relevancia del neutrino, una de las partículas elementales del Modelo Estándar, que fue «inventada» por Wolfgang Pauli hace aproximadamente un siglo y descubierta décadas más tarde. «Es la partícula más abundante en el universo, pero muchas de sus propiedades, incluyendo su masa, siguen siendo un misterio y no están bien explicadas por el Modelo Estándar», afirmó.
El objetivo principal del experimento AMoRE es medir la masa de los neutrinos y responder a cuestiones clave sobre la simetría entre la materia y la antimateria. Para lograrlo, la colaboración AMoRE intentó observar la desintegración beta doble sin neutrinos utilizando el isótopo radiactivo molibdeno-100 (100Mo), que tiene un número atómico de 42 y un número másico de 100.
Yoomin explicó que «si el neutrino y su antipartícula (el antineutrino) son lo mismo, como sugirió por primera vez Majorana, el proceso de descomposición podría ocurrir sin la emisión de neutrinos». Dado que la probabilidad de tal descomposición es muy baja, es necesario preparar una gran cantidad de isótopos en descomposición y esperar a que se detecte la señal de descomposición en un entorno de baja radiación, método utilizado en la mayoría de las mediciones de desintegración beta, incluyendo las del experimento AMoRE.
Para llevar a cabo su búsqueda más reciente, la colaboración AMoRE preparó varios kilogramos de molibdeno enriquecido en 100Mo, en forma de cristales de centelleo. La interacción de partículas en estos cristales produce señales de calor y luz. Un sistema de detección a baja temperatura que encapsula los cristales está ubicado a 700 metros bajo tierra en el Laboratorio Subterráneo Yangyang en Corea.
Según Yoomin, «realizamos el experimento AMoRE-I con la mejor sensibilidad jamás registrada para observar la desintegración beta doble sin neutrinos del molibdeno-100, pero no encontramos ninguna señal evidente». Este resultado, basado únicamente en el fondo de radiación, permitió establecer el límite más preciso sobre la vida media de descomposición del 100Mo.
Las nuevas limitaciones establecidas por la colaboración AMoRE sobre la desintegración beta doble sin neutrinos podrían ayudar a orientar mejor las futuras búsquedas de este proceso elusivo. A su vez, la colaboración AMoRE tiene planes para realizar más búsquedas utilizando sistemas de detección en un laboratorio recién construido en Corea, conocido como Yemilab, que se encuentra a 1000 metros de profundidad.
«La próxima fase de AMoRE, AMoRE-II, está en preparación en Yemilab y comenzará a recopilar datos en un año», añadió Yoomin. «Es un desafío utilizar aproximadamente 100 kg de detectores de cristal basados en molibdeno en un gran detector de temperatura ultra-baja y lograr un fondo muy bajo al mismo tiempo. Este próximo experimento será una de las búsquedas más sensibles para la desintegración beta doble sin neutrinos en el mundo».
Más información:
A. Agrawal et al, Improved Limit on Neutrinoless Double Beta Decay of 100Mo from AMoRE-I, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.082501. En arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2407.05618
