La Colaboración T2K, en la que participa el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro
mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat de
València, ha publicado nuevos resultados, los más precisos obtenidos hasta la fecha,
del parámetro que gobierna la ruptura de la simetría entre la materia y la antimateria
en las oscilaciones de neutrinos. El parámetro que rige la ruptura de la simetría entre
materia y antimateria en la oscilación de neutrinos, llamada fase δCP, puede tomar un
valor en un rango de -180º a 180º. Por primera vez, T2K ha desfavorecido casi la mitad
de los valores posibles con un nivel de confianza del 99,7% (3σ), y comienza a revelar
una propiedad básica de los neutrinos que no se ha medido hasta ahora. Este es un
paso importante para saber si los neutrinos y los antineutrinos se comportan de
manera diferente. Estos resultados, que utilizan datos recopilados hasta 2018, se
publicaron en la revista científica Nature el pasado 15 de abril.
Materia y antimateria
La mayoría de fenómenos físicos se describen con leyes que predicen un
comportamiento simétrico para la materia y la antimateria. En el argot de la Física hablamos de la simetría carga-paridad, o simplemente simetría CP. Sin embargo, esta
simetría no es universal, como resulta evidente en la composición actual del universo,
cuyo contenido en antimateria es muy pequeño. La teoría del Big-Bang asume que el
universo fue creado con cantidades idénticas de materia y antimateria. Para llegar a la
situación actual es condición necesaria que exista una violación de la simetría CP.
Hasta ahora, la violación de la simetría CP solo se ha observado en la física de
partículas subatómicas llamadas quarks, pero la magnitud de esta violación no es lo
suficientemente grande como para explicar la composición del universo actual. T2K
busca una nueva fuente de violación de la simetría CP en las oscilaciones de neutrinos,
que se manifestaría como una diferencia en la probabilidad de oscilación para
neutrinos y antineutrinos.
El experimento T2K
El experimento T2K utiliza haces de neutrinos y antineutrinos creados utilizando el haz
de protones del Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (JPARC), ubicado en Tokai, en la costa este de Japón. T2K puede operar en dos modos
diferentes. En el ‘modo neutrino’, el haz está compuesto principalmente por neutrinos
muónicos. Una pequeña fracción de estos se detectan a 295 kilómetros de distancia en
el detector Super-Kamiokande, ubicado bajo una montaña en Kamioka, cerca de la
costa oeste de Japón. A medida que los neutrinos muónicos recorren la distancia de
Tokai a Kamioka (de ahí el nombre de T2K), parte de ellos se transformarán (oscilarán)
en neutrinos electrónicos. Los neutrinos electrónicos se identifican en el detector
Super-Kamiokande por la luz de Cherenkov que producen.
De igual forma, en su ‘modo antineutrino’, el haz de T2K está compuesto por
antineutrinos muónicos, de forma que lo que se observa en Super-Kamiokande es un
exceso de antineutrinos electrónicos fruto de la oscilación de los antineutrinos
muónicos.
El resultado de T2K publicado hoy en Nature se ha obtenido con el análisis de datos
producidos por 1,49×1021 protones con el haz en modo neutrino y 1,64×1021
protones con el haz en modo antineutrino. Si el parámetro δCP tuviera un valor de 0º o
180º la oscilación de neutrinos muónicos a electrónicos sería idéntica a la oscilación de
antineutrinos muónicos a antineutrinos electrónicos. Otros valores de δCP
favorecerían una de estas oscilaciones frente a la otra, rompiendo así la simetría.
Existe una complicación adicional en la medición de este parámetro, y es que todos los
elementos de T2K (los detectores y la línea del haz) están hechos de materia y no de
antimateria, de forma que introducen una falsa asimetría que se debe substraer. Para
separar esta falsa asimetría de la simetría genuina, el análisis de T2K incluye
correcciones basadas en datos de detectores cercanos (ND280) colocados a 280
metros del objetivo.
Con los datos acumulados por el experimento hasta 2018, T2K observa 90 candidatos a
neutrinos electrónicos y 15 candidatos a antineutrinos electrónicos. Estos valores son bastante cercanos a los esperados para un valor de δCP= −90º, que son 82 y 17
eventos respectivamente. Y difieren considerablemente de las tasas esperadas para
δCP= + 90º, que son 56 y 22, respectivamente.
Por tanto, los datos T2K son compatibles con un valor de δCP cercano a −90º, que
favorece significativamente la probabilidad de oscilación en el modo neutrino, en
detrimento de la probabilidad de oscilación en el modo antineutrino. Con estos datos,
T2K ha evaluado los intervalos de confianza para el parámetro δCP. La región
desfavorecida en el nivel de confianza 3σ (99,7%) es −2º a 165º. Este resultado
representa la restricción más fuerte de δCP hasta la fecha. Los valores de 0º y 180º se
desfavorecen con un nivel de confianza del 95%, como indicó un resultado anterior de
T2K en 2017, lo que indica que la simetría CP puede violarse en las oscilaciones de
neutrinos.
Si bien este estudio es el más preciso hasta la fecha sobre la violación de la simetría CP
en el sector de los neutrinos, y nos muestra una clara indicación de que este fenómeno
podría realmente producirse, el resultado no alcanza todavía los estándares de certeza
científica. Para mejorar aún más la sensibilidad experimental a un posible efecto de
violación de la simetría CP, la Colaboración T2K actualizará el conjunto de detectores
cercanos para reducir las incertidumbres sistemáticas, y J-PARC aumentará la
intensidad del haz mejorando el acelerador y la línea del haz, permitiendo estas
mejoras acumular nuevos datos de forma más rápida.
Contribución española
El experimento T2K ha sido construido y operado por una colaboración internacional
compuesta, en la actualidad, por más de 500 científicos de 68 instituciones en 12
países (Canadá, Francia, Alemania, Italia, Japón, Polonia, Rusia, España, Suiza, Reino
Unido, Estados Unidos y Vietnam). El experimento está financiado principalmente por
el Ministerio de Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT) de Japón. España
contribuye con tres grupos de investigación: el Institut de Fìsica d’Altes Energies (IFAE)
en Barcelona, y el Instituto de Física Corpuscular (IFIC) en Valencia (centro mixto del
CSIC y la Universitat de València), han participado en el diseño, construcción y
operación del experimento durante más de 15 años. Ambos grupos han realizado
contribuciones muy relevantes al estudio de la oscilación del neutrino, con medidas en
el detector de Tokai, el más cercano a la fuente, que mide las propiedades iniciales del
haz de neutrinos. Recientemente se ha incorporado un grupo de investigación de la
Universidad Autónoma de Madrid. España ha financiado la actividad investigadora a
través del Ministerio de Economía y Competitividad, la Generalitat de Catalunya y con
el apoyo del Centro Nacional de Partículas Astropartículas y Nuclear (CPAN).
Referencia:
Constraint on the Matter-Antimatter Symmetry-Violating Phase in Neutrino Oscillations.
Nature. Vol. 580, pp. 339-344. DOI: 10.1038/s41586-020-2177-0.
Más información sobre el experimento T2k: https://t2k-experiment.org/
Contactos:
Prof Anselmo Cervera, IFIC, Valencia (Valencia): anselmo.cervera@ific.uv.es // Phone:
+34 96 354 44 58
Dr Thorsten Lux, IFAE, Barcelona (Barcelona): tlux@ifae.es // Phone: +34 93 170 2702