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CIENCIA. La materia del Universo explicada a través de los neutrinos


Los físicos nucleares, Clyde Cowan y Frederick Reines, consideraron al neutrino como "la parte más pequeña de la realidad material jamás concebida por el hombre" [sic]. Eso fue en un comentario realizado para Nature en 1956, publicado unos meses después de que publicaron un artículo en Science que informaba sobre el descubrimiento experimental de neutrinos. Estas partículas subatómicas carecen de carga eléctrica y son extremadamente difíciles de detectar, ya que tienen muy poca interacción con otras formas de materia. La pareja se preguntó sobre la relación entre los neutrinos y sus contrapartes, los antineutrinos. 

Con el beneficio de la retrospectiva, resultó ser una pregunta bastante importante. Este mes de abril, un grupo de investigadores, siguiendo directamente los pasos de Cowan y Reines, sugieren que las diferencias entre los neutrinos y los antineutrinos podrían ayudar a explicar uno de los mayores misterios del Universo.


Hace unos 13.800 millones de años, en el momento del Big Bang, cada partícula de materia en el Universo temprano debería haberse creado junto con una contraparte llamada antimateria. La antimateria es exactamente igual a la materia pero con alguna propiedad física opuesta, como la carga eléctrica. Eso, al menos, es lo que proponen las teorías actuales.

El gran misterio para los físicos es por qué parece haber mucha más materia que antimateria en el Universo actual. Esto, sin embargo, es positivo ya que si hubiera habido cantidades iguales de ambos, cada partícula se habría cancelado entre sí en un resplandor de energía, dejando al Universo lleno de fotones y materia oscura.


Hace 22 años se pensaba que el neutrino era una partícula sin masa, como el fotón. Pero en 1998 se descubrieron las oscilaciones de neutrinos. Y para que oscilen tienen que tener masa. Ese hallazgo fue premiado con el Nobel de Física en 2015

Diez años después de que Cowan y Reines descubrieran el neutrino, el físico ruso y defensor de los derechos humanos, Andrei Sakharov ,  propuso un mecanismo sobre cómo podría haberse violado el equilibrio, o la simetría, entre la materia y la antimateria. Una de las razones sugeridas por Sakharov fue que su simetría no era perfecta y que cada una exhibía propiedades ligeramente diferentes. Esta diferencia podría haber llevado a un exceso de materia durante el enfriamiento que tuvo lugar poco después del Big Bang.


Neutrinos a través del espejo. Las partículas elementales conocidas como neutrinos tienen una curiosa capacidad de transformarse entre tres sabores (ν e , ν µ y ν τ ) con el tiempo, porque los tres componentes (estados de masa) de su composición evolucionan de manera diferente. Las ondas son representaciones simplificadas de la contribución de cada estado de masa al neutrino. Cada tipo de neutrino tiene su propio antineutrino (indicado por una barra). Las reglas de simetría implican que, en un mundo espejo hecho de antimateria, los antineutrinos deben comportarse como neutrinos. Pero los resultados del experimento T2K de Japón indican que esta simetría podría romperse. El resultado podría insinuar cómo el Universo llegó a contener más materia que antimateria.

¿Pero tenía razón Sakharov? Un experimento de física de partículas llamado Tokai a Kamioka, o T2K, dirigido por una colaboración internacional de cientos de físicos, ahora ofrece una pista de qué podría haber ocurrido. En el experimento T2K, se generan neutrinos en el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (J-PARC) en Tokai, en la costa este de Japón. Desde allí, son disparados bajo tierra y recorren 295 kilómetros hacia un observatorio de neutrinos llamado Super ‑ Kamiokande en la costa oeste. La pieza central del observatorio es un tanque de agua gigante con miles de detectores listos para capturar la luz emitida a medida que los neutrinos interactúan con el agua. Debido a que los neutrinos tienen una posibilidad extremadamente pequeña de interacción, este tipo de experimento lleva años para reunir suficientes datos para que los científicos puedan sacar conclusiones significativas. T2K tardó una década en detectar solo 90 neutrinos y 15 antineutrinos, de alrededor de  1020 posibles colisiones generadoras de neutrinos en J-PARC.


Dentro del detector de neutrinos Super-Kamiokande durante el trabajo en los detectores. Crédito: Observatorio Kamioka, ICRR, Univ. Tokio

Usando estos datos, T2K midió la probabilidad de que un neutrino oscile entre diferentes propiedades físicas que los físicos llaman 'sabores' durante su viaje. Luego, el equipo realizó el mismo experimento con antineutrinos y comparó los números. Si la materia y la antimateria son perfectamente simétricas, las probabilidades deberían ser las mismas. Los resultados, sin embargo, sugieren que no lo son. T2K detectó una mayor probabilidad de que los neutrinos cambien de “sabor” durante su viaje de 300 km, y una probabilidad correspondientemente menor de antineutrinos, de lo que se esperaría si se comportaran de manera idéntica.


Ulmer et al., utilizó un dispositivo conocido como trampa Penning para medir, en condiciones idénticas, la frecuencia de ciclo característica de a, antiprotones (p) yb, iones de hidrógeno cargados negativamente (H - , en lugar de protones; representados como un protón (p) y dos electrones (e - )) que experimentan movimiento circular en un campo magnético de fuerza B (flechas grises), configurados perpendicularmente a la dirección del movimiento. De la frecuencia de ciclo, que es el número de ciclos ( NpynorteH-) que cada tipo de partícula completada por unidad de tiempo, se determinaron las relaciones carga-masa de pares de antiprotones individuales e iones de hidrógeno cargados negativamente. El número de ciclos se midió a partir de señales registradas por los electrodos de la trampa. Después de corregir la diferencia (Δ N ) entre NpynorteH- para tener en cuenta las energías de unión y las masas de los dos electrones en H , que lo hacen diferente de un protón, los autores descubrieron que las relaciones carga-masa de protones y antiprotones son idénticas con una precisión de 69 partes por billón. (Ulmer, S. y col. Nature 524 , 196–199 (2015).

Además del grupo del Instituto de Física Corpuscular (IFIC-CSIC/Universitat de València), España contribuye al experimento T2K con otros dos equipos: el del Institut de Fìsica d'Altes Energies (IFAE) en Barcelona, y el de la Universidad Autónoma de Madrid, que se ha unido recientemente a este consorcio.

A LA ESPERA DE VERIFICAR
Tal hallazgo, si se puede confirmar, le da peso a la explicación de Sakharov de 1967 de que la materia y la antimateria tienen diferentes propiedades. Pero hay una advertencia: el hallazgo actual no satisface el nivel de confianza requerido, conocido como 5-sigma (5σ), que los físicos de partículas típicamente exigirían para considerar el resultado como un descubrimiento. Los resultados actuales de T2K están en un nivel de significación estadística de 3σ, y esto cae a 2σ si la simetría materia-antimateria se debe descartar por completo.

Aun así, es importante dar a conocer un trabajo tan fundamental a medida que avanza. Los experimentos en física de partículas pueden tardar décadas en planificarse y construirse, por lo que los resultados que aún no tienen el significado 5σ tienen un papel crucial en informar las decisiones de la comunidad sobre futuras inversiones. Los investigadores podrían haber esperado más. Pero incluso si lo hubieran hecho, es poco probable que el experimento T2K haya proporcionado los datos adicionales necesarios para cruzar la línea de llegada 5σ. Para llegar a 5σ, los físicos necesitarán resultados de la próxima generación de detectores de neutrinos. 

Hay tres detectores de este tipo que entrarán en funcionamiento: Hyper-Kamiokande, ubicado cerca de Super-Kamiokande, que se espera comience en 2027; DUNE en los Estados Unidos, que comenzará en 2025; y JUNO en China, que aspira a ser el primero de los tres en salir, en 2022.





Fuentes:
- Neutrinos could shed light on why the Universe has so much more matter than antimatter. Nature 580, 305 (2020), doi: 10.1038/d41586-020-01022-3
- Matter–antimatter symmetry violated. Nature 580, 323-324 (2020). 
doi: 10.1038/d41586-020-01000-9
- Matter and antimatter scrutinized. Nature volume 524, pages168–169 (2015)


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