Cómo los neutrinos podrían ser la clave de nuestra existencia

Fuente Michigan State University

Científicos de la MSU ayudan a fusionar datos de dos experimentos de neutrinos para ofrecer la visión más precisa hasta la fecha de estas esquivas partículas.

Un investigador de la Universidad Estatal de Michigan codirigió un análisis conjunto de dos importantes experimentos de neutrinos, acercando a los científicos a la comprensión del misterio de la evolución del universo.

Por primera vez, el experimento T2K en Japón y el experimento NOvA en Estados Unidos combinaron datos de todo el mundo para precisar las mediciones de las propiedades de los neutrinos: partículas diminutas, casi fantasmales, que se desplazan por el universo y apenas interactúan con la materia.

Su análisis conjunto, publicado en Nature, proporciona algunas de las mediciones más precisas sobre cómo cambian de tipo los neutrinos a medida que viajan. Este trabajo sienta las bases para futuros experimentos que podrían ofrecer una mayor comprensión de la evolución del universo, o incluso refutar por completo las teorías existentes. El material se basa en un trabajo financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos.

Kendall Mahn, profesor de física y astronomía de la MSU, ayudó a coordinar el análisis conjunto y es también uno de los portavoces de T2K. La combinación de los esfuerzos de ambos experimentos permitió a los equipos obtener resultados que superaron con creces lo que cualquiera de ellos hubiera podido lograr por separado.

«Esta fue una gran victoria para nuestro campo», afirmó Mahn. «Esto demuestra que podemos realizar estas pruebas, que podemos estudiar los neutrinos con mayor detalle y que podemos tener éxito trabajando juntos».

Cuando el universo comenzó, los físicos esperaban que hubiera cantidades iguales de materia y antimateria. Pero si eso fuera así, la materia y la antimateria se habrían anulado perfectamente entre sí, resultando en una aniquilación total.

Y sin embargo, aquí estamos. De alguna manera, la materia venció a la antimateria, pero aún no sabemos cómo ni por qué.

Los físicos sospechan que la respuesta podría estar en el misterioso comportamiento de unas partículas abundantes pero esquivas llamadas neutrinos. En concreto, comprender mejor un fenómeno llamado oscilación de neutrinos —cuando los neutrinos cambian de tipo o sabor a medida que viajan— podría acercarnos a una respuesta.

«Los neutrinos no se comprenden del todo», afirmó Joseph Walsh, investigador postdoctoral de la MSU que participó en el proyecto. «Sus masas tan pequeñas hacen que interactúen con poca frecuencia. Cientos de billones de neutrinos procedentes del Sol atraviesan nuestro cuerpo cada segundo, pero casi todos lo hacen sin tocarlo. Necesitamos generar fuentes intensas o utilizar detectores muy grandes para darles la oportunidad suficiente de interactuar y así poder observarlos y estudiarlos».

T2K y NOvA son experimentos de larga base: cada uno dispara un haz intenso de neutrinos que pasa a través de un detector cercano a la fuente de neutrinos y un detector lejano a cientos de kilómetros de distancia. Ambos experimentos comparan los datos registrados en cada detector para comprender el comportamiento y las propiedades de los neutrinos.

Dado que los experimentos tienen objetivos científicos similares, pero diferentes líneas de base y energías de neutrinos, los físicos pueden obtener más información al combinar sus datos.

«Al realizar un análisis conjunto, se puede obtener una medición más precisa que la que cada experimento puede producir por separado», afirmó Liudmila Kolupaeva, colaboradora de NOvA. «Por lo general, los experimentos en física de altas energías tienen diseños diferentes, incluso si comparten el mismo objetivo científico. Los análisis conjuntos nos permiten aprovechar las características complementarias de estos diseños».

El misterio del orden de masas de los neutrinos se centra en cuál es el neutrino más ligero. Pero no es tan sencillo como colocar partículas en una escala. Los neutrinos tienen masas minúsculas que se componen de combinaciones de estados de masa. Existen tres estados de masa de neutrinos, pero, curiosamente, no se corresponden con los tres sabores de neutrinos. De hecho, cada sabor se compone de una mezcla de los tres estados de masa, y cada estado de masa tiene una probabilidad diferente de comportarse como cada sabor de neutrino.

Existen dos posibles ordenamientos de masas, denominados normal e invertido. En el ordenamiento normal, dos de los estados de masa son relativamente ligeros y uno es pesado, mientras que en el ordenamiento invertido hay dos estados de masa más pesados ​​y uno ligero.

En el ordenamiento normal, existe una mayor probabilidad de que los neutrinos muónicos oscilen a neutrinos electrónicos, pero una menor probabilidad de que los antineutrinos muónicos oscilen a antineutrinos electrónicos. En el ordenamiento invertido, ocurre lo contrario. Sin embargo, una asimetría en las oscilaciones de neutrinos y antineutrinos también podría explicarse si los neutrinos violan la simetría de carga-paridad (CP); es decir, si los neutrinos no se comportan igual que sus contrapartes de antimateria.

Los resultados combinados de NOvA y T2K no favorecen ninguno de los dos ordenamientos de masa. Si se confirma que el ordenamiento de masa de los neutrinos es normal, los resultados de NOvA y T2K son menos claros respecto a la simetría CP, lo que requiere datos adicionales para su clarificación. Sin embargo, si resultados futuros muestran que el ordenamiento de masa de los neutrinos está invertido, los resultados publicados hoy proporcionan evidencia de que los neutrinos violan la simetría CP. Si no existiera la violación de la simetría CP, los físicos perderían su última mejor explicación de por qué el universo está dominado por la materia en lugar de la antimateria.

Estos primeros resultados conjuntos no resuelven definitivamente ningún misterio de los neutrinos, pero sí amplían el conocimiento de los físicos sobre estas partículas. Además, validan el impresionante esfuerzo de colaboración entre dos experimentos competidores, pero complementarios.

La colaboración NOvA está formada por más de 250 científicos e ingenieros de 49 instituciones en ocho países. La colaboración T2K cuenta con más de 560 miembros de 75 instituciones en 15 países. Ambas colaboraciones comenzaron a trabajar activamente en este análisis conjunto en 2019. Este análisis combina ocho años de datos de NOvA, que comenzó a recopilar datos en 2014, y una década de T2K, que comenzó en 2010. Ambos experimentos continúan recopilando datos y ya se está trabajando en la actualización del análisis conjunto.

“Estos resultados son fruto de la cooperación y el entendimiento mutuo de dos colaboraciones únicas, ambas con la participación de numerosos expertos en física de neutrinos, tecnologías de detección y técnicas de análisis, que trabajan en entornos muy diferentes, utilizando métodos y herramientas diferentes”, afirmó Tomáš Nosek, colaborador de T2K.