Científicos del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior
de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat de València, publican en la revista
Physical Review Letters la solución a un problema largamente discutido en física de
neutrinos. Mediante la observación del fenómeno conocido como ‘oscilaciones de
neutrinos’, la ciencia busca respuesta a por qué vivimos en un Universo de materia y
no de antimateria, su réplica idéntica. Sin embargo, este proceso se ve afectado por la
propia Tierra, hecha de materia, creando un efecto engañoso (fake effect) que se
consideraba inseparable de la observación genuina de las diferencias entre materia y
antimateria. Los investigadores del IFIC proponen un modo de ‘desenmarañar’ o
separar ambos efectos, con aplicación en futuros experimentos como DUNE (Estados
Unidos) y T2HK (Japón).
Los neutrinos son unas partículas elementales especiales: apenas tienen masa y rara
vez interactúan con el resto de materia conocida. Abundan en una radiación aún no
detectada producida en la época primigenia del Universo, y se cree guardan la clave de
la asimetría materia-antimateria, la explicación a por qué la materia se impuso a la
antimateria para formar todo lo que vemos en el cosmos. Para estudiar esta cuestión,
una de las más importantes de la Física, se compara el comportamiento de neutrinos y
su réplica de antimateria, los antineutrinos, producidos en aceleradores de partículas y
detectados a cientos de kilómetros de su origen.
Durante ese viaje los neutrinos ‘oscilan’, se transforman entre los tres tipos que se
conocen. Este fenómeno, conocido como ‘oscilaciones de los neutrinos’ y cuyo
descubrimiento supuso el Nobel de Física de 2015, se produce en el interior de la
Tierra, ya que los neutrinos pueden atravesarla al interactuar muy poco con la materia
que la forma. “Esto crea un efecto engañoso ‘enmarañado’ con la búsqueda del efecto
genuino propio de la diferencia entre neutrinos y antineutrinos como si se propagaran
en el vacío”, explica José Bernabéu Alberola, profesor emérito de la Universitat de València y uno de los autores del trabajo junto a Alejandro Segarra Tamarit, estudiante
de doctorado en el Departamento de Física Teórica y el IFIC.
“Los dos efectos, el genuino y el engañoso, se manifiestan del mismo modo entre
neutrinos y antineutrinos, así que parece imposible desenmarañarlos. Pero se pueden
separar si se comportan de forma distinta bajo otras propiedades”, argumenta
Bernabéu. Ambos publican en Physical Review Letters un teorema de
desenmarañamiento de los dos efectos, que poseen propiedades distintas bajo otras
simetrías fundamentales de la Física como la Inversión Temporal (T) y la combinada
CPT (Carga, Paridad e Inversión Temporal), estudiadas anteriormente por Bernabéu en
otros sistemas físicos. Esto permite diferenciar el efecto genuino de las diferencias
entre neutrinos y antineutrinos del efecto engañoso, puesto que este último presenta
una ruptura de la simetría CPT que no aparece en el genuino.
La primera consecuencia del teorema de Bernabéu y Segarra es que las componentes
que identifican los dos efectos dependen de modo distinto de la distancia que recorren
los neutrinos. Sin embargo, los experimentos que miden sus oscilaciones no pueden
situar distintos detectores a lo largo de su viaje por la Tierra, sino que construyen un
único detector a una distancia fija que oscila entre los 300 kilómetros del experimento
T2HK y los más de 1.000 de DUNE. Lo que sí pueden medir estos detectores es la
energía de la oscilación, esto es, la energía con la que llegan los neutrinos. Así, en este
artículo los investigadores del IFIC exploran la energía esperada para cada una de las
componentes, la genuina y la engañosa, encontrando que, de hecho, es muy distinta,
lo que proporcionaría una señal experimental para separarlas.
Este último resultado ha motivado un estudio detallado que los mismos autores
publican en Journal of High Energy Physics, donde analizan esa dependencia energética
y descubren el origen de su distinto comportamiento para la componente genuina y la
engañosa. Los físicos valencianos hallan una “energía mágica” en la que coinciden tres
propiedades: el segundo máximo donde se producen las oscilaciones de neutrinos, que
ofrece una cantidad apreciable de eventos para estudiar; anula la componente
engañosa y proporciona un máximo de efecto genuino para obtener una evidencia
directa de la ruptura de la simetría entre materia y antimateria.
En los 1.300 kilómetros que separan el laboratorio Fermi (Chicago), y el detector en
construcción en Dakota del Sur de DUNE, esa energía mágica es 0,91 GeV. “Esta
‘energía mágica’ es accesible y reconstruible en el experimento incluso con una
precisión modesta en la determinación de su valor con una incertidumbre de 0,15
GeV”, afirman los investigadores. Por otra parte, a energías superiores a este valor
mágico domina la componente engañosa, y el signo de la diferencia observada entre
neutrinos y antineutrinos ofrece la solución a otro problema aún abierto: la
ordenación de los niveles de menor a mayor masa de los tres tipos de neutrinos. Con
estos resultados es posible ahora realizar una simulación rigurosa del experimento y
adaptar su diseño para observar si existe una diferencia fundamental entre el
comportamiento de neutrinos y antineutrinos, algo en lo que trabajan los
investigadores junto con el grupo del Instituto de Física Corpuscular que participa en
DUNE.
Más información y contacto:
José Bernabéu Alberola. Profesor Emérito de la Universitat de València.
Jose.Bernabeu@uv.es // 96 354 36 91
Alejandro Segarra Tamarit. Contratado Predoctoral Formacion FPU, Universitat de València.
Alejandro.Segarra@ific.uv.es // 96 354 37 65
Referencias:
“Disentangling genuine from matter-induced CP violation in neutrino oscillations”, José Bernabéu, Alejandro Segarra,
Physical Review Letters. [arXiv:1806.07694]
José Bernabéu, Alejandro Segarra. J. Signatures of the genuine and matter-induced components of the
CP violation asymmetry in neutrino oscillations. High Energ. Phys. (2018): 63.
https://doi.org/10.1007/JHEP11(2018)063 [arXiv:1807.11879]