Oscilaciones de neutrinos y asimetría materia-antimateria

 

El descubrimiento del fenómeno de las oscilaciones de neutrinos representa un hito científico de gran importancia, por el cual Takaaki Kajita y Arthur McDonald recibieron el Premio Nobel de Física en 2015. Al demostrar que los neutrinos oscilan, los experimentos SNO y Super-Kamiokande probaron también que los neutrinos tienen masa, en contra de lo sugerido por el Modelo Estándar de la física de partículas.

 

Los neutrinos vienen en tres variedades, cada una de ellas asociada a un leptón cargado: el electrón, el muón o el tau. A estas variedades se les llama “sabores”, y se dice que el neutrino puede tener sabor electrónico, muónico o tau. Los neutrinos, que son partículas sin carga eléctrica, pueden interaccionar con otras partículas y “adquirir carga” en el proceso, y entonces se transforman en el correspondiente leptón cargado según cuál sea su sabor. Las oscilaciones consisten en que el sabor del neutrino cambia a medida que éste se desplaza por el espacio, cambiando de esta manera su forma de interaccionar y, sobre todo, la partícula a la que está asociado.

 

El fenómeno de oscilaciones de neutrinos está íntimamente ligado a las masas, porque éstas “conectan” los tres sabores, y permiten que los neutrinos vayan pasando de uno a otro a lo largo de su recorrido. Curiosamente, los experimentos de oscilaciones permiten averiguar muchas propiedades de las masas de los neutrinos, pero la oscilación no conserva información sobre cuánto valen exactamente. A día de hoy sabemos que son muy pequeñas, más de un millón de veces más ligeras que la del electrón, pero no tenemos todavía una medida de su valor. Por tanto, además de un modelo que explique la existencia de las masas de los neutrinos, se requiere algún mecanismo físico para justificar que sean mucho más pequeñas que las del resto de las partículas.

 

En la actualidad, uno de los paradigmas más aceptados postula que la masa de los neutrinos está ligada a partículas pesadas que les confieren algunas de sus propiedades. Estas partículas no habrían sido observadas hasta el momento debido a que para crearlas hacen falta energías muy altas que aún no hemos alcanzado en los experimentos. Sin embargo, la existencia de tales partículas podría manifestarse de forma indirecta, en las propias masas de los neutrinos. En particular, las oscilaciones podrían venir modificadas respecto a lo esperado si las partículas pesadas no estuvieran ahí.

 

Los investigadores del IFIC Mariam Tórtola y José Valle han estudiado cómo la existencia de neutrinos pesados podría afectar a las oscilaciones de los neutrinos ligeros en un tipo de experimentos en que los neutrinos son producidos en un acelerador de partículas y detectados a distancias de varios cientos de kilómetros. A lo largo de ese recorrido los neutrinos tienen tiempo de oscilar y podemos ver cómo cambia su sabor, y si este cambio se corresponde a la oscilación “normal”, sin partículas pesadas, o si es diferente de ella. Este tipo de oscilaciones ya han sido observadas en experimentos en Japón (T2K) y Estados Unidos (NOνA), y permiten medir algunas propiedades fundamentales de los neutrinos, como la diferencia entre sus masas y en qué medida éstas mezclan los tres sabores.

 

Estas propiedades han sido ya medidas con bastante precisión en diferentes tipos de experimentos de oscilación: con neutrinos provenientes de aceleradores, de reactores nucleares, solares o atmosféricos. Sin embargo, hay un parámetro que todavía no hemos podido determinar bien: se trata de la posibilidad de que los neutrinos oscilen de manera diferente a su propia antimateria, los antineutrinos. Aunque materia y antimateria se comportan de manera similar en casi todos los fenómenos, sabemos que hay algunos procesos físicos en los que presentan diferencias. La prueba más palmaria de ello es que vivimos en un universo compuesto sobre todo por materia, en el que la antimateria prácticamente ha desaparecido. Los fenómenos en los que la materia y la antimateria se comportan de manera diferente son interesantes porque nos abren una ventana para entender esta peculiaridad de nuestro universo, y quizá las oscilaciones de neutrinos constituyan una de esas ventanas.

 

Las diferencias entre las oscilaciones de neutrinos y antineutrinos vienen controladas por el parámetro δCP, cuyo valor todavía no conocemos. En su análisis, nuestros compañeros han estudiado cómo las medidas de precisión de δCP previstas en los futuros experimentos diseñados a tal efecto, como puede ser DUNE en Estados Unidos, pueden verse afectadas por la existencia de neutrinos pesados. En concreto, la existencia de tales neutrinos implicaría la presencia de una nueva fase, ϕ, que dificultaría la determinación precisa de δCP.

 

En la figura podemos ver cómo ϕ influye en los efectos de δCP: para cierto valor de δCP el resultado será diferente según cuál sea el valor de ϕ. Lo inverso también es correcto: si observamos cierto efecto ya no podemos relacionarlo con un solo valor de δCP, sino con una combinación de diferentes valores de δCP y ϕ. De esta forma, la sensibilidad de los experimentos de acelerador al parámetro δCP podría verse afectada de forma significativa, razón por la cual sería recomendable un rediseño de las características experimentales actualmente previstas. Por fortuna la forma en que ϕ modifica los efectos observables es predecible, y eso nos permitirá reinterpretar los datos y averiguar si los neutrinos pesados están interfiriendo en las oscilaciones que observamos.

 

El proyecto LBNF/DUNE es una ambiciosa colaboración científica internacional que prevé enviar el haz de neutrinos más intenso del mundo, producido en las instalaciones de Fermilab en Chicago, hasta DUNE, un enorme detector de argón líquido situado en una cámara subterránea a más de un kilómetro de profundidad en el Sanford Underground Research Facility (SURF), ubicado en Dakota del Sur, a 1.300 kilómetros de Fermilab. En el experimento DUNE participan 800 científicos de 27 países y 150 instituciones, entre ellas el IFIC.

 

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