La Colaboración T2K 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 δ_CP, 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 han publicado en la revista científica Nature hoy, 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 simetria 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 antimatéria 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 composicion 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 (J-PARC), 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 1,49x10²¹ protones con el haz en modo neutrino y 1,64x10²¹ protones con el haz en modo antineutrino. Si el parámetro δ_CP 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 δ_CP 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 δ_CP= −90º, que son 82 y 17 eventos respectivamente. Y difieren considerablemente de las tasas esperadas para  δ_CP= + 90º, que son 56 y 22, respectivamente.

Por tanto, los datos T2K son compatibles con un valor de δ_CP 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 δ_CP. La región desfavorecida en el nivel de confianza 3σ (99,7%) es −2º a 165º. Este resultado representa la restricción más fuerte de δ_CP 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 (UAM). 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