Se publican en Nature indicios a 3 sigmas de la asimetría CP en la física de los neutrinos

Por Francisco R. Villatoro, el 17 abril, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 11

El experimento japonés T2K (Tokai to Kamioka) publicó en Physical Review Letters hace dos años sus «primeros indicios a 2 sigmas de la asimetría CP en la física de los neutrinos» (LCMF, 25 oct 2018). Ahora publica en Nature sus resultados a 3 sigmas (todavía muy lejos de un descubrimiento a 5 sigmas). El ángulo de asimetría δCP  ∈ [−3.41, −0.03] para el orden normal de la masa de los neutrinos, y δCP  ∈ [−2.54, −0.32] para el orden invertido, ambas al 99.73% C.L. (3 σ). Además se descarta que δCP = 0 y δCP = π al 95% C.L. (2 σ). Un gran resultado que augura que en la próxima década alcanzaremos una evidencia cercana de 5 sigmas y habrá un futuro Premio Nobel de Física para los neutrinos.

Te recuerdo que el modelo estándar no tiene suficiente asimetría CP en el sector hadrónico (quarks) para explicar la asimetría primordial entre materia y antimateria mediante un mecanismo de bariogénesis (solo se ha observado JCP,q = 3 × 10−5). La asimetría CP en el sector leptónico (neutrinos), gracias a un mecanismo de leptogénesis (o neutrinogénesis), permite alcanzar hasta JCP,l = 0.033 sin (δCP). Aún no sabemos si será suficiente para explicarla por completo; de hecho, ayudaría mucho que el neutrino fuera un fermión de Majorana, con lo que habría tres fuentes de asimetría CP en lugar de solo una para un fermión de Dirac.

La física de los neutrinos es la parte menos explorada y más «misteriosa» del modelo estándar. Para alcanzar una evidencia de cinco sigmas en la asimetría CP en los neutrinos habrá que esperar unos 15 años; hasta que la próxima generación de detectores de neutrinos gigantes, T2HK (Japón), que usará el detector Hyper-Kamiokande, y DUNE (Dakota del Sur, EEUU), nos ofrezcan sus resultados. Por ahora, nos tenemos que conformar con indicios a tres sigmas. El artículo es The T2K Collaboration, «Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations,» Nature 580: 339-344 (15 Apr 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0, arXiv:1910.03887 [hep-ex] (09 Oct 2019); más información divulgativa en Silvia Pascoli, Jessica Turner, «Matter–antimatter symmetry violated,» Nature 580: 323-324 (15 Apr 2020), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-020-01000-9.

Quienes busquen una explicación para público general disfrutarán de «Un indicio de la violación de la simetría entre materia y antimateria en neutrinos», Agencia SINC, 15 abr 2020; «El experimento T2K presenta los resultados más precisos sobre las diferencias entre materia y antimateria en neutrinos», IFIC (CSIC/UV), 15 abr 2020; Teresa Guerrero, «Un experimento con neutrinos y antineutrinos para explicar la composición del universo actual», Ciencia, El Mundo, 15 abr 2020; Gonzalo López Sánchez, «Un experimento explica por qué la materia sobrevivió después del Big Bang», Ciencia, ABC, 16 abr 2020; entre muchas otras.

¿Qué es la asimetría materia-antimateria primordial? Lo he contado tantas veces que ya estarás aburrido de leerlo; si no es así, te recomiendo leer «La asimetría entre materia y antimateria», LCMF, 04 jul 2010. Resumiendo mucho, Sakharov en 1967 propuso que la asimetría CP en la interacción débil era la razón por la que observamos un universo de materia, solo con trazas de antimateria. La primera observación de la asimetría CP, donde C es la conjugación de carga (cambiar partículas por antipartículas, y P es la inversión de paridad (reflexión especular), se logró en 1964 en kaones neutros (Premio Nobel de Física de 1980 a James W. Cronin y Val L. Fitch). Sakharov tenía en mente un mecanismo de bariogénesis; pero el modelo estándar contiene una cantidad insuficiente de asimetría CP en el sector hadrónico (aunque hay muchas fuentes).

Por ello se espera que también haya asimetría CP en el sector leptónico (leptogénesis); no entre los leptones cargados que no parecen estar mezclados como los quarks, sino entre los neutrinos, que sabemos que están mezclados desde 1998, la llamada oscilación de los neutrinos. La matriz PMNS (Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata) contiene una fase δCP  si los neutrinos son fermiones de Dirac y tres fases δCP  si son de Majorana. ¿Será suficiente con una sola fase para explicar la asimetría materia-antimateria? Los resultados de T2K no nos permiten cuantificar con precisión cuánta asimetría CP hay, pero todo apunta a que será insuficiente. Por ello, muchos físicos especialistas en neutrinos confían en que la Naturaleza nos regale que los neutrinos son fermiones de Majorana; en dicho caso su física estaría más allá del modelo estándar (que solo contempla fermiones de Dirac). En esta década se debería resolver la cuestión de la naturaleza del neutrino.

En el experimento T2K, un haz de neutrinos (antineutrinos) generado en Tokai recorre 295 km bajo tierra hasta llegar al detector de Kamioka. Los neutrinos (antineutrinos) muónicos se generan en la colisión de un haz de protones de 30 GeV contra un blanco de grafito en el complejo de aceleradores de protones JPARC (Japan Proton Accelerator Research Complex). En el blanco e producen piones y kaones que decaen en neutrinos electrónicos y muónicos en un tubo vacío de 96 metros de longitud en el que hay unos campos magnéticos que permiten desviar las partículas según su carga; así se puede generar un haz de neutrinos o un haz de antineutrinos, los dos modos de operación que usa T2K.

En el detector  Super-Kamiokande (SK) del Observatorio de Kamioka (bajo el monte Ikeno) se detectan neutrinos usando 11 000 fotomultiplicadores que rodean un enorme cilindro con 50 000 toneladas de agua ultrapura. Durante su viaje el neutrino (antineutrino), cuya energía está picada en 0.6 GeV, oscila entre muónico y electrónico, con lo que hay cierta probabilidad finita, P(νμ→νe), de que sea detectado como electrónico. Cuando un neutrino muónico (electrónico) colisiona con un neutrón de una molécula de agua, se produce un muón (electrón) que produce radiación Cherenkov (el neutrino se propaga a una velocidad mayor que la de la luz en el agua) que es detectada en los fotomultiplicadores.

 

Los nuevos resultados se han obtenido tras analizar las señales de neutrinos (antineutrinos) electrónicos observados entre 2009 y 2018. En modo neutrino se han colisionado 1.49 × 1021 protones contra el blanco de grafito, y en modo antineutrino 1.64 × 1021 protones. En Tokai hay dos detectores cercanos, a 280 metros del blanco, llamados INGRID y ND280, que permiten estudiar la calidad del haz de neutrinos generado. En ND280 se han detectado haces de neutrinos (antineutrinos) que equivalen a una exposición de 5.8 × 1020 (3.9 × 1020 ) protones.

Los resultados de T2K presentan una ligera preferencia hacia el orden normal (NO) de masas (89%) en lugar del orden invertido (IO), pero es insuficiente para afirmar nada con seguridad. Además del ángulo δCP se han estimado los ángulos de oscilación  sin2(θ23) y sin2(2θ13) combinado los resultados de T2K con los de Daya Bay, RENO y Double Chooz (detectores de neutrinos generados por reactores nucleares). En concreto, sin2(θ23) para NO e IO; luego Δm232 = (2.45 ± 0.07) × 10−3eV2/c4 para NO y Δm213 = (2.43 ± 0.07) × 10−3eV2/c4 para IO. El ángulo de asimetría CP estimado es  δCP  = −1.89+0.70−0.58 para NO y δCP  = −1.38+0.48−0.54 para IO al 68% (1 σ) C.L. Hay cierta preferencia hacia ángulos grandes (máxima asimetría), pero por ahora no es concluyente.

En resumen, un resultado esperado, pero no por ello menos relevante. Aún así, nos deja con cierto mal sabor de boca saber que no podremos conocer el valor del ángulo de asimetría CP asociado a la oscilación de los neutrinos hasta que opere la nueva generación de detectores de neutrinos hipergigantes (la construcción de Hyper-Kamiokande se iniciará este mes y la toma de datos se iniciará en 2027 y la de DUNE está en curso, pero no finalizará hasta 2026 como pronto). Pero como diez años pasan en un plis plas, todos acabaremos disfrutando de vivir la década de los 2020, que pasará a los libros de historia de la física del siglo XXI como la década de la física de neutrinos.



11 Comentarios

  1. Me gustaría saber tu opinión sobre el Wolfram Physics Project
    https://writings.stephenwolfram.com/2020/04/finally-we-may-have-a-path-to-the-fundamental-theory-of-physics-and-its-beautiful/

    ¿Es algo que nos debe entusiasmar o Wolfram esta chocheando un poco? ¿Demasiado verde para decidirse?
    En mi ignorancia me ha parecido una idea del espacio tiempo bastante interesante y prometedora. (Por prometer, promete la unificación de la cuántica y la relatividad general).

  2. Hola Francis,

    La manera de saber si el neutrino es de Majorana, solo puede saberse a través del neutrinoless doubly-beta decay? O hay otras maneras de conocerlo con DUNE u otro futuros experimentos?

    Gracias

    1. Javier, DUNE es un experimento de oscilación de neutrinos, así que no puede discernir esta cuestión (si existieran neutrinos de gran masa podría hacerlo para ellos, pero ese es otro tema). Hay otros métodos indirectos, pues influye en ciertas desintegraciones, pero están tan suprimidas (su probabilidad es tan baja) que en la práctica no son útiles (se han propuesto experimentos, pero para dentro de décadas). Así que, en esta década, 0ν2β es la única manera en que la podemos explorar de forma experimental.

      1. Como has dicho en el blog que la cuestion quedaria zanjada en esta decada, eso suponia que ocurriria de descubrirse 0v2b, pero de no detectarse solo podrian ponerse limites superiores a la vida media de los nucleos estudiados no? Es decir, podriamos saber si el neutrino es de Majorana si el experimento es positivo. Sino, parece ser que la cuestion siempre quedaria abierta

        1. No, Javier, olvidas los límites actuales en la masa de los neutrinos; si no se observa 0ν2β, conforme los límites de exclusión vayan bajando (o la vida media de 0ν2β siga creciendo), llegará un momento en que la única posibilidad es que sea de Dirac y así será confirmado por los experimentos que buscan probar que es Majorana. Y esto ocurrirá en esta década (si todo va bien con los experimentos en curso).

  3. Si el neutrino es de Majorana, es decir, si es su propia antiparticula, Como puede ser entonces que haya asimetria en la oscilacion de neutrinos con respecto a la de los antineutrinos?

    1. Javier:

      Sólo un comentario, para complementar la respuesta de Francis.

      Para tener una intuición física tal vez sea instructivo que piense en un proceso físico concreto que pudiese producir un resultado para un experimento con cierta probabilidad de violar la simetría CP. Por ejemplo, considere la parte del lagrangiano (modulo la constante acoplo) para una corriente cargada ℓUνW (aquí ℓ es un espinor para la parte izquierda de algún lepton cargado,U la matriz PMNS, ν la componente izquierda de vuestro neutrino de Majorana favorito y W un vector para un bosón W).

      La observación es que note que este experimento que puede violar la simetría CP con leptones lo hace mediante un acoplo leptón cargado-neutrino. Lo que quiero transmitir es el hecho de que no es posible escribir un término en el lagrangiano del SM que involucre la matriz PMNS y que le permita distinguir un neutrino de majorana de su «anti-partícula»; equivalentemente, no existe un experimento que le permita hacer la mencionada distinción. Intente por usted mismo pensar porque esto es cierto, los únicos términos renormalizables que puede escribir (usando un solo fermión de majorana y su C-conjugado) serían una corriente neutra y un término masa de Majorana. Hint: la matriz de PMNS es unitaria 😉

      Saludos.

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