El nuevo resultado del experimento japonés T2K sobre los neutrinos

Dibujo20130722 tokai-to-kamioka t2k experiment

El experimento japonés T2K (Tokai to Kamioka) estudia la oscilación de neutrinos muónicos en electrónicos en modo aparición, usando un haz de neutrinos generado en el laboratorio J-PARC en Tokai que es dirigido hacia el detector Super-Kamiokande situado a 295 km de distancia. T2K ha confirmado a 7,5 sigmas que el parámetro θ13 tiene un valor distinto de cero (θ13>0). Recordarás que en 2012 fue noticia que los experimentos Daya Bay, RENO y Double Chooz confirmaron a más de 5 σ que θ13>0, pero lo hicieron en modo desaparición con la oscilación de antineutrinos electrónicos en antineutrinos muónicos. La novedad es la observación en modo aparición; ya había indicios indirectos en 1999, pero las primeras señales fueron obtenidas en 2011 por MINOS que obtuvo indicios a 1,7 σ y por el propio T2K que los obtuvo a 2,5 σ, resultado que alcanzó 3,1 σ en 2012 (pero aún lejos de un descubrimiento, que requiere superar las 5 σ). Ahora T2K logra superar las 5 σ y puede proclamar por derecho propio un descubrimiento (aunque de carácter menor, ya que quien pasará a los libros de historia como el primero en demostrar que θ13>0 será el experimento chino Daya Bay). Más información en Jorge Díaz, “Experimento T2K descubre nueva oscilación de neutrinos,” Conexión Causal, julio 19, 2013. Nos lo ha contado Atsuko K. Ichikawa (Univ. Kyoto, Japón), “Neutrino mixing: Results from accelerator experiments,” Slides, EPS-HEP’13, 23 Julio 2013.

Dibujo20130722 tokai-to-kamioka t2k experiment

Recuerda que existen tres tipos de neutrinos, o sabores: electrónicos, muónicos y tipo tau. Los neutrinos cuando se propagan van cambiando de sabor (oscilando) en el sentido de que cambia la probabilidad de que al detectar dicho neutrino tenga cierto sabor. En un haz de neutrinos muónicos (como el producido en Tokai con una energía media de 6 GeV), tras recorrer 295 km hasta Super-Kamiokande (SK), se pueden detectar neutrinos electrónicos (oscilación en modo aparición), neutrinos muónicos (oscilación en modo desaparición) y neutrinos tipo tau (aunque SK no puede detectarlos, como hace OPERA en Gran Sasso, Italia, con los neutrinos generados en el CNGS del CERN). En este nuevo resultado se han observado 28 neutrinos electrónicos con una energía promedio de 6 GeV, cuando el fondo esperado era de 4,64 ± 0,51, es decir, se ha confirmado la aparición de neutrinos electrónicos en el haz de muónicos con 7,5 sigmas de confianza estadística. Por cierto, la interpretación del resultado θ13>0 y el cálculo del número de sigmas de confianza estadística depende de si la jerarquía de masas de los neutrinos es normal o invertida. Esta figura muestra ambos resultados.

Dibujo20130722 t2k preliminary result for normal and inverted hierarchy

¿Por qué es importante saber que θ13 no es nulo? Porque en dicho caso es más fácil descubrir si la física de los neutrinos puede contener alguna violación de la simetría CP (uno de los responsables de la asimetría entre materia y antimateria). El próximo gran objetivo de los experimentos de neutrinos será descubrir si existe esta violación de la simetría CP en la física de los neutrinos (la mayoría de los físicos cree que la hay); también hay que saber si la jerarquía de masas es normal o invertida y si los neutrinos son partículas de Majorana o Dirac. Y muchas otras cosas más, porque la física de los neutrinos es realmente muy interesante.

8 Comentarios

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amarashiki

Francis, te equivocas en esta frase:
“(…)¿Por qué es importante saber que $latex theta_{13}$ no es nulo? Porque sólo en dicho caso la física de los neutrinos puede contener alguna violación de la simetría CP (uno de los responsables de la asimetría entre materia y antimateria) (…)”

La violación de CP es independiente del valor de $latex theta_{13}$. La violación de CP depende de la fase $latex delta$ de violación de CP en la matrix de oscilación de neutrinos. El ángulo de mezcla $latex theta_{13}$ es totalmente independiente de esa fase. Dicho de forma más precisa, si este ángulo hubiera sido cero, aún se podría observar violación de CP, aunque hubiera sido bastante más complicado. Creo que las prisas te han jugado una mala pasada. Corrígelo. ;).

Ahora, la carrera para observar violación de CP en el sector leptónico está abierta (pienso que los chinos tienen ventaja, pero los americanos lo intentarán con NoVa y los europeos aquí estamos con la mierda de la burocracia, aunque espero que la gente trabaje en serio y podamos competir también). Con un valor de este ángulo de mezcla $latex theta_{13}$ que hemos observado, “la patita de la violación CP” en el sector puramente leptónico (determinada por $latex delta$ está a la vuelta de la esquina (eso, si no hay sorpresas como con QCD). Espero que en menos de 5 años se observen estos procesos (a no ser que haya una simetría que imponga $latex delta =0$).

El que este ángulo de mezcla $latex theta_{13}$ hubiera sido cero, hubiera indicio de algún tipo de simetría en el sector de neutrinos muy especial, análoga a la que se cree hay en QCD con el strong CP problem (el theta term lagrangiano de QCD es cero, i.e., QCD no viola CP a diferencia de las interacciones débiles aunque admite la posibilidad teórica de hacerlo: ¡y nadie lo comprende! Por supuesto, esta es la razón de la propuesta del axión en QCD…)

Un saludo.

amarashiki

Indicación: sólo cuando se escribe la fórmula general para la probabilidad de oscilación en el caso de violación de CP para el caso de, digamos, 3 neutrinos, se entiende por qué el que $latex theta_{13}$ sea cero dificulta la observación de $latex delta$, si ésta es no nula. Quizás ponga un chuletario de fórmulas de oscilaciones de neutrinos en mi blog, aunque es un tema algo más avanzado…Ya veré…

emulenewsemulenews

Roberto, en Tokai un flujo de protones incide sobre un blanco de grafito produciendo un flujo de neutrinos muónicos que se analiza en el detector cercano ND280 (a 280 metros del blanco). El detector ND280 detecta muones, piones y protones, por tanto puede detectar de forma indirecta los neutrinos muónicos y los neutrinos electrónicos del haz de neutrinos que parte de Tokai. No hay detección directa de ningún tipo de neutrino.

amarashiki

Quería aclarar algo más sobre la importancia de que $latex theta_{13}$ sea cero o no. Es sabido que uno de los tests más finos de nueva física en diversos escenarios es la observación de las corrientes neutras que cambian el “sabor” o flavor (en inglés: flavor changing neutral currents, FCNC). Un proceso característico, al que ya he aludido aquí o en mi blog de forma esporádica, es el proceso $latex mulongrightarrow egamma$ donde $latex mu, e,gamma$ son el muón, el electrón y el fotón. Este proceso viola el número leptónico (que es conservado en el Modelo Estándar). Si asumimos la anchura parcial del proceso $latex mulongrightarrow enunu$ como uno, entonces puede probarse que el branching ratio (BR) de este un proceso genérico de FCNC es igual a la siguiente función de la masa de los leptones:

$latex displaystyle{mathcal{B}(mulongrightarrow egamma)=dfrac{3alpha}{32pi} bigg| sum_{i=2,3}U^*_{mu i}U_{e i}dfrac{Delta m_{1i}^2}{M_W^2} bigg|^2}$

Para nuestro proceso específico de muón mutando en electrón más fotón, se tiene que

$latex mathcal{B}(mulongrightarrow egamma)=dfrac{3alpha}{32pi}left(dfrac{1}{4}right)sin^22theta_{13}sin^2theta_{23}bigg| dfrac{Delta m_{13}^2}{M_W^2}bigg|^2$

Esta última expresión es la que nos ayuda a entender la importancia de $latex theta_{13}$. Si este ángulo de mezcla fuese exactamente cero, observamos que la amplitud del proceso de FCNC muón mutando a electrón más fotón sería exactamente cero. Un valor muy nulo haría ese proceso “difícil” de detectar (aunque también había ideas en ese sentido de cómo observarlo, la situación no estaba para nada clara; la Naturaleza en este caso ha sido “relativamente bondadosa” con el valor de este último ángulo que han medido Daya Bay, RENO, y ahora T2K). Ahora, con el valor observado, falta saber quién y cómo (y cuándo…) observará ese branching ratio que ya sabemos que NO puede ser cero… A no ser que entre nueva física en la matriz de mezcla que haya anularse eso. De hecho, os propongo que estiméis, con los valores observados de los ángulos y valores realistas de $latex alpha$ cuánto vale ese número. Es un ejercicio divertido…

emulenewsemulenews

Amarashiki, el último límite experimental que he leído es BR < 5,7×10-13 (90% C.L.) de la MEG Collaboration, “New Constraint on the Existence of the μ+→e+γ Decay,” Phys. Rev. Lett. 110: 201801, 13 May 2013. Unos 40 órdenes de magnitud por encima de la estimación teórica… luego la importancia de $latex theta_{13}>0$ en esta cuestión es ridícula, con perdón.

Por cierto, pones $latex mathcal{B}(mulongrightarrow enu)$ en lugar de $latex mathcal{B}(mulongrightarrow egamma)$. Si quieres te lo cambio… pero se entiende por el contexto.

amarashiki

Ostras¡! ¡Puse nu en vez de gamma en el branching ratio! Jajajaja…Soy la pera…Sí, por favor, cámbiamelo. Yo no puedo editar mis mensajes aquí. Por alguna razón puse nu en vez de gamma en el BR. Quizás, me he neutrinologizado demasiado con el último hilo de mi blog. Gracias por adelantado.

Dices que lo de la cota experimental está varios órdenes de magnitud por encima respecto de la teórica, depende de las asunciones que hagas para computar el BR, Francis. En términos del modelo estándar, es cierto lo dices. Pero el punto es el siguiente: mucha “nueva física” entra a través de procesos de FCNC, y por tanto, puede cambiar radicalmente la estimación teórica. ¿Me explico? Soy consciente del cálculo del Modelo Estándar (no recuerdo el número exacto, pero sale del orden de menos cincuenta y tantos…¿no?Yo mismo calculé el número en 2010, supongo que lo tengo por ahí perdido en alguno de mis cuadernos, jejeje)y también de la cota experimental que das (es una de las cosas que seguía y aún sigo desde tiempos del Máster-en mis posts de neutrinología he puesto cotas algo desfasadas adrede, a ver si alguien me decía algo-jijiji-, pero mi intención es actualizarlas en algún post futuro).

La clave de la importancia de este proceso es que la inclusión de nuevas partículas que entran BSM cambia el cálculo (yo arriba he hecho “trampa” y he hecho una aproximación usual con el BR a electrón y neutrinos, y alguna otra aproximación despreciando algunos términos, pero los resultados con lo que sabemos de theta13 son ésos). SUSY, tecnicolor, compositeness, …y una gran variedad de teorías incluyen, como seguro bien sabes, FCNC. Y las FCNC afectan a los parámetros de oscilación de los neutrinos (también entran en la matriz de CKM), por lo que buscarlas y saber cuánto están suprimidas es esencial. De hecho, es precisamente la existencia de este tipo de procesos lo que a algunos (no a muchos por desgracia) nos hacía estar convencidos de que theta13 NO podía ser cero (aunque ya había indicios pre-año 2012 en varios experimentos, algunos teóricos aún seguían proponiendo modelos con theta13 nulo hasta lo de 2012).

Lo interesante es no ya la estimación teórica (que puede modificarse sustancialmente y es muy “model dependent”), sino que hay precisamente “mucho espacio” (órdenes de magnitud) que pueden verse sustancialmente modificados por la presencia de alguna otra “escala” de energía relevante y que afecte a la matriz de oscilaciones en el sector leptónico (PMNS). Fíjate que si fuese el ángulo cero, ese proceso no podría ser observado, pues el cálculo daría 0 para el BR. Espero que se cacen estos procesos pronto porque tengo razones para pensar que su hallazgo está más cerca de lo que pensamos (más incluso que detectar la/s hipotética/s “dark matter particle/s”). En unos 5 años se ha mejorado un un factor 1000-10000 las anteriores cotas de algunos de estos procesos de violación de número leptónico. Hay que seguir atentos. :). Si el SM es válido hasta la escala GUT o la escala donde se cree vive la ruptura strong – weak unification, podemos no verlo. Sin embargo, si pensamos que puede haber alguna nueva escala de nueva física, y que entre vía oscilaciones de flavor (como muchos modelos y teorías predicen de forma bastante “general”), es lógico pensar que la cota del SM, esa que está 40 órdenes de magnitud, pueda no ser realista (nota que lo que hace pequeño el BR es la escala electrodébil, via M(W), por lo que si observáramos este proceso, ahora que conocemos la no nulidad del ángulo que faltaba, podría darnos pistas muy importantes; si hubiera sido el ángulo “casi cero”, podríamos argüir algún tipo de simetría en la matriz PMNS y su gemela de CKM, pero ahora que no es así, la cosa es mucho más “jodida” y “sutil”, pero desde luego, el proceso no puede ser evitado en ningún caso ya: ha de darse y poder ser observado, sea o no más difícil dependiendo de si crees que la estimación del SM es “la biblia” o bien si hay nueva física que cambie la estimación, theta13 ya no puede ser muy cero o cero-ya sabemos que es “grande”). Moraleja: Feynman solía decir que en Física todo depende de los prejuicios que tengas (t Hooft suele decir algo parecido cuando dice que la clave son las “asunciones” que haces de partida…).

Creo que otro alguno de los experimentos de LHC también busca FCNC, aunque yo ahí no conozco demasiado los detalles específicos… Podrías hacer una entrada sobre FCNC (no recuerdo ahora si has hablado de ellas antes, tal vez sí, pero supongo tú lo tendrás más localizable…) y su búsqueda en el LHC. Las FCNC, de hecho, están relacionadas con las teorías de campo efectivas y con tu partícula favorita, pues el Higgs portal abre interesantes posibilidades para observar este tipo de fenomenología. ¿Sabes por qué? 😉

amarashiki

Sobre las FCNC:

1) El SM no tiene FCNC a nivel árbol.
2) Diversos modelos de física BSM las incluyen a nivel de correcciones radiativas en diagramas de feynman.
3) Las FCNC pueden entenderse también como consecuencia de correcciones inducidas por nueva física y serían más grandes que las predicciones del SM si hay “nuevas partículas”.
4) Hay una interconexión entre FCNC, el sector de Higgs y el sector oscuro en muchas variantes de teorías, por lo que tiene un interés enorme estudiar estos procesos.

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