La búsqueda de desintegraciones raras es una ventana a la física más allá del Modelo Estándar. La clásica desintegración doble beta sin neutrinos (0ν2β) apuntaría a una naturaleza de Majorana del neutrino, pero décadas de búsquedas aún no han dado resultado. En 2013, Heeck y Rodejohann propusieron buscar la desintegración cuádruple beta sin neutrinos (0ν4β), que también es posible con neutrinos de Dirac. Si se detectara 0ν4β en ausencia de 0ν2β, sería un argumento sólido a favor de la naturaleza de Dirac del neutrino. El trabajo de PandaX-4T se enmarca en la búsqueda de violaciones del número leptónico con detectores de xenón líquido, junto a los estudios de desintegración doble beta del xenón-136 y de doble captura electrónica del xenón-124.
El análisis utilizó datos de dos campañas de PandaX-4T: la de puesta en marcha (Run0) y la primera campaña científica (Run1), con una exposición total de 148,4 kg·año de isótopo xenón-136. El detector es una cámara de proyección temporal de dos fases con 3,7 toneladas de xenón líquido, situada en el laboratorio subterráneo de Jinping, a 2400 metros de profundidad. La región de energía de interés se amplió hasta 20–140 keV para captar el pico esperado en 79 keV. El fondo se modeló a partir de los materiales del detector, las impurezas de criptón-85, el radón, la desintegración doble beta del xenón-136, la doble captura electrónica del xenón-124 y los neutrinos solares. Para estimar las contribuciones del fondo se usaron datos de calibración y simulaciones Montecarlo basadas en Geant4.
En el espectro no se encontró un exceso estadísticamente significativo sobre el fondo. Se obtuvo un límite superior para la tasa de señal de 43,75 eventos por tonelada y año, lo que corresponde a un límite inferior para el período de semidesintegración de la desintegración cuádruple beta sin neutrinos del xenón-136: T₁/₂ > 6,01×10²⁴ años con un nivel de confianza del 90%. La sensibilidad mediana fue de 5,5×10²⁴ años. El resultado es 1,6 veces más fuerte que el límite previo de XMASS (3,7×10²⁴ años) y constituye el más estricto para este proceso en xenón. Los fondos dominantes en Run0 son el xenón-133 activado; en Run1, el plomo-214 de la cadena del radón.
El trabajo se distingue de otras búsquedas cercanas en que, por primera vez, utiliza una gran masa fiducial de un detector de xenón líquido para buscar 0ν4β, mientras que el límite anterior se obtuvo con el detector más pequeño XMASS. El nuevo límite empieza a restringir los modelos teóricos con violación del número leptónico en cuatro unidades. La ausencia de señal todavía no permite concluir cuál es la naturaleza del neutrino, pero demuestra que los detectores de xenón líquido pueden competir en este nicho.
Se espera mejorar la sensibilidad con el análisis de los datos de Run2 y con el futuro detector PandaX-xT, de decenas de toneladas de masa. Aumentar la exposición y reducir el fondo permitirá detectar 0ν4β o bien establecer límites que excluyan una parte significativa del espacio paramétrico de los modelos con cuartidad leptónica.
El resultado influirá en la fenomenología de los neutrinos, en los modelos con violación del número leptónico y en las búsquedas de materia oscura relacionadas con la cuartidad leptónica.
Analizar los datos de Run2 de PandaX-4T y preparar el arranque de PandaX-xT, donde la sensibilidad a 0ν4β aumentará en órdenes de magnitud.
Para la física de neutrinos, el gran problema sin resolver es la naturaleza de su masa: de Majorana o de Dirac. La búsqueda de 0ν4β está directamente ligada a esta cuestión, porque su detección en ausencia de 0ν2β apuntaría al escenario de Dirac. El trabajo también toca el problema del origen de la asimetría bariónica del universo a través de la leptogénesis, que requiere violación del número leptónico.
Un período de semidesintegración de 6,01×10²⁴ años es 400 billones de veces mayor que la edad del universo. Si esa desintegración ocurriera, en un kilogramo de xenón-136 se desintegraría menos de un átomo al año.
En la novela «El problema de los tres cuerpos», de Liu Cixin, los neutrinos se usan para comunicarse con una civilización extraterrestre. La búsqueda de desintegraciones extremadamente raras, como la 0ν4β, recuerda a los intentos de captar señales casi imperceptibles desde las profundidades del micromundo.