El descobriment del fenomen de les oscil·lacions de neutrins representa una fita científica de gran importància, per la qual Takaaki Kajita i Arthur McDonald van rebre el Premi Nobel de Física l'any 2015. En demostrar que els neutrins oscil·len, els experiments SNO i Super-Kamiokande varen provar també que els neutrins tenen massa, contràriament a allò suggerit pel Model Estàndard de la física de partícules.

 
Els neutrins vénen en tres varietats, cadascuna d'elles associada a un leptó amb càrrega: l'electró, el muó o el tau. A aquestes varietats se les anomena "sabors", i es diu que el neutrí pot tenir sabor electrònic, muònic o tau. Els neutrins, que són partícules amb càrrega zero, poden interaccionar amb altres partícules i "guanyar càrrega" en el procés, i llavors es transformen en el corresponent leptó carregat segons quin siga el seu sabor. Les oscil·lacions consisteixen en que el sabor del neutrí canvia a mesura que aquest es desplaça per l'espai, canviant d'aquesta manera la seua forma d'interaccionar i, sobretot, la partícula a la qual està associat.

 
El fenomen de les oscil·lacions de neutrins està íntimament lligat a les masses, perquè aquestes "connecten" els tres sabors i permeten que els neutrins vagen passant de l'un a l'altre al llarg del seu recorregut. Curiosament, els experiments d'oscil·lacions permeten deduir moltes propietats de les masses dels neutrins, però el procés d'oscil·lació no conserva informació sobre quant valen exactament. A dia d'avui sabem que són molt petites, més d'un milió de vegades més lleugeres que la de l'electró, però no tenim encara una mesura del seu valor. Per tant, a més d'un model que explique l'existència de les masses dels neutrins, es requereix algun mecanisme físic per justificar que siguen molt més xicotetes que les de la resta de les partícules.

 
En l'actualitat, un dels paradigmes més acceptats postula que la massa dels neutrins està lligada a partícules pesades que els confereixen algunes de les seues propietats. Aquestes partícules no haurien sigut observades fins al moment perquè per crear-les calen energies molt altes que encara no hem assolit en els experiments. No obstant això, l'existència de tals partícules podria manifestar-se de forma indirecta, en les pròpies masses dels neutrins. En particular, les oscil·lacions podrien veure's modificades respecte al que s'esperaria si les partícules pesades no hi són presents.

 
Els investigadors de l'IFIC Mariam Tórtola i José Valle han estudiat com l'existència de neutrins pesats podria afectar les oscil·lacions dels neutrins lleugers en un tipus d'experiments en què els neutrins són produïts en un accelerador de partícules i detectats a distàncies de centenars de quilòmetres. Al llarg d'aquest recorregut els neutrins tenen temps d'oscil·lar i podem veure com canvia el seu sabor, i si aquest canvi es correspon a l'oscil·lació "normal", sense partícules pesades, o si n'és diferent. Aquest tipus d'oscil·lacions ja han estat observades en experiments al Japó (T2K) i els Estats Units (NOνA), i permeten determinar algunes propietats fonamentals dels neutrins, com la diferència entre les seues masses i en quina mesura aquestes mesclen els tres sabors.

 
Aquestes propietats han estat ja mesurades amb bona precisió en diferents tipus d'experiments d'oscil·lació: amb neutrins provinents d'acceleradors, de reactors nuclears, solars o atmosfèrics. No obstant això, hi ha un paràmetre que encara no hem pogut determinar: es tracta de la possibilitat que els neutrins oscil·len de manera diferent a la seua pròpia antimatèria, els antineutrins. Encara que matèria i antimatèria es comporten de manera similar en gairebé tots els fenòmens, sabem que hi ha alguns processos físics en què presenten diferències. La prova més palmària d'això és que vivim en un univers composat sobretot per matèria, en el qual l'antimatèria pràcticament ha desaparegut. Els fenòmens en què la matèria i l'antimatèria es comporten de manera diferent són interessants perquè ens obren una finestra per entendre aquesta peculiaritat del nostre univers, i potser les oscil·lacions de neutrins constitueixen una d'aquestes finestres.

 
Les diferències entre les oscil·lacions de neutrins i antineutrins vénen controlades pel paràmetre δCP, el valor del qual encara no coneixem. En la seua anàlisi, els nostres companys han estudiat com les mesures de precisió de δCP previstes en els futurs experiments dissenyats a aquest efecte, com pot ser DUNE als Estats Units, es poden veure afectades per l'existència de neutrins pesats. En concret, l'existència de tals neutrins implicaria la presència d'una nova fase, φ, que dificultaria la determinació precisa de δCP.

 
A la figura podem veure com φ influeix en els efectes de δCP: per cert valor de δCP el resultat serà diferent segons quin siga el valor de φ. L'invers també és correcte: si observem un cert efecte ja no podem relacionar-lo amb un sol valor de δCP, sinó amb una combinació de diferents valors de δCP i φ. D'aquesta manera, la sensibilitat dels experiments d'accelerador al paràmetre δCP podria veure's afectada de manera significativa, raó per la qual seria recomanable un redisseny de les característiques experimentals actualment previstes. Per fortuna podem predir la forma en què φ modifica els efectes observables, i això ens permetrà reinterpretar les dades i esbrinar si els neutrins pesats estan interferint en les oscil·lacions que observem.

 
El projecte LBNF/DUNE és una ambiciosa col·laboració científica internacional que preveu enviar el feix de neutrins més intens del món, produït a les instal·lacions de Fermilab a Chicago, fins DUNE, un enorme detector d'argó líquid situat en una càmera subterrània a més d'un quilòmetre de profunditat en el Sanford Underground Research Facility (SURF), ubicat a Dakota del Sud, a 1.300 quilòmetres de Fermilab. En l'experiment DUNE participen 800 científics de 27 països i 150 institucions, entre elles l'IFIC.

"New Ambiguity in Probing CP Violation in Neutrino Oscillations", O. G. Miranda, M. Tórtola, J. W. F. Valle. Phys. Rev. Lett. 117, 061804