Los resultados actualizados del experimento japonés con neutrinos continúan revelando detalles del desajuste en el comportamiento de la materia y la antimateria
Los neutrinos que pasan por la configuración Super Kamiokande crean una distribución de color informativa en las paredes del detectorSi miras desde arriba, puedes confundir un agujero en el suelo con un enorme hueco del ascensor. Pero, de hecho, conduce a un experimento que puede responder a la pregunta de por qué el asunto no desapareció, convirtiéndose en una nube de radiación poco después del Big Bang.
Estoy ubicado en el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (
J-PARC ), una oficina gubernamental remota y bien vigilada en Tokai, aproximadamente a una hora en tren al norte de Tokio. El experimento T2K (
Tokai-to-Kamioka ) que se ejecuta aquí produce un haz de partículas subatómicas, un neutrino. El rayo atraviesa 295 km de piedra hasta el detector Super Kamiokande, un pozo gigante enterrado a 1 km bajo tierra y lleno de 50,000 toneladas de agua ultrapura. Durante el viaje, algunos neutrinos cambian su "tipo" de uno a otro.
El experimento está en curso hoy, y sus primeros resultados se anunciaron el año pasado. Los científicos de T2K están estudiando cómo los neutrinos cambian la variedad, tratando de explicar el predominio de la materia sobre la antimateria en el universo. Durante mi visita, los físicos me explicaron que están procesando nuevos datos obtenidos durante el año pasado, y los resultados son prometedores.
Según el
modelo estándar de física de partículas, cada partícula tiene su compañero espejo, que lleva la carga eléctrica opuesta: una partícula de antimateria. Cuando las partículas de materia y antimateria chocan, se aniquilan en un estallido de radiación. Sin embargo, los científicos creen que durante el Big Bang debería aparecer una cantidad igual de materia y antimateria, lo que significaría que todo debería desaparecer bastante rápido. Pero no ha desaparecido. Una pequeña fracción de la materia primordial sobrevivió y formó el universo que conocemos.
Los investigadores no saben por qué sucedió esto. "Debe haber algún tipo de reacción de partículas que tenga lugar de manera diferente en la materia y la antimateria", dice Morgan Vasco, físico del Imperial College de Londres. Por ejemplo, la antimateria puede descomponerse de una manera diferente de la materia. Si es así, esto violaría la idea de la
invariancia CP , que postula que las leyes de la física no deberían cambiar si reemplazamos las partículas de materia con antipartículas (simetría con respecto a la carga) y las reflejamos (simetría de paridad). La simetría es válida para la mayoría de las partículas, pero no para todas. Las partículas subatómicas de los quarks violan la simetría CP, pero las desviaciones son tan pequeñas que no son suficientes para explicar por qué la materia prevalece tanto sobre la antimateria en el Universo.
El año pasado, la colaboración T2K anunció la primera evidencia de que los neutrinos podrían violar la invariancia CP, lo que podría explicar por qué el universo está lleno de materia. "Si se observa una violación de la invariancia de la PC en la región de neutrinos, esto puede explicar fácilmente la diferencia entre la materia y la antimateria", dijo Adrian Beavan, especialista en física de partículas en la Universidad Queen Mary de Londres.
Los investigadores están buscando violaciones de la invariancia de la PC al estudiar la diferencia en el comportamiento de la materia y la antimateria. En el caso de los neutrinos, los científicos con T2K estudian cómo los neutrinos y los antineutrinos
oscilan , es decir, cambian, en el camino hacia el sensor Super-K. En 2016, se cambiaron 32 neutrinos muones por otros electrónicos en el camino a Super-K. Y cuando los investigadores enviaron antineutrinos muónicos allí, solo cuatro de ellos se volvieron electrónicos.
Los resultados conmocionaron a la comunidad, aunque la mayoría de los físicos no dejaron de señalar que con una muestra tan pequeña había una probabilidad del 10% de que esta diferencia fuera el resultado de fluctuaciones aleatorias (en comparación, cuando se descubrió el bosón de Higgs en 2012, la probabilidad de aleatoriedad de la señal fue de una millonésima parte).
Este año, los investigadores han recopilado casi el doble de datos de neutrinos que en el pasado. Super-K atrapó 89 neutrinos de electrones, y este número supera con creces el umbral de 67 partículas, que deberían haber aparecido en ausencia de violación de la invariancia CP. El experimento también encontró solo siete antineutrinos electrónicos, dos menos de lo esperado.
Hasta ahora, los investigadores no han anunciado el descubrimiento. Debido a la cantidad no tan grande de datos, "todavía hay 1 de cada 20 posibilidades de que esto sea una desviación estadística y no una violación de la invariancia de la PC", dice Philip Lichfield, físico del Imperial College de Londres. Para que los resultados se vuelvan realmente significativos, agrega, el experimento debe alcanzar 3 posibilidades de 1000, y los investigadores esperan superar esta línea a mediados de la década de 2020.
Pero las mejoras de datos realizadas el año pasado, aunque modestas, todavía van "en una dirección muy interesante", dijo Tom Browder, físico de la Universidad de Hawai. Los indicios de nueva física aún no han desaparecido, como cabría esperar si los resultados se cancelaran por si acaso. También se incluyen los resultados de otro experimento, NOvA, realizado en el Fermi National Accelerator Laboratory en un suburbio de Chicago. El año pasado, lanzó el primer conjunto de datos de neutrinos, y se esperan resultados de antineutrinos el próximo verano. Y aunque estos primeros resultados sobre la violación de la invariancia CP tampoco serán estadísticamente significativos, si los resultados de los experimentos NOvA y T2K coinciden, entonces "la consistencia de todas estas sugerencias iniciales" será muy intrigante, dice Mark Monsieur, físico de la Universidad de Indiana.
La actualización planificada del detector Super-K podría estimular la investigación. El próximo verano, el agua se bombea fuera del detector por primera vez en una década, y luego se rellena con agua ultrapura. Se mezclará con sulfato de
gadolinio , una sal que debería aumentar significativamente la sensibilidad del dispositivo a los antineutrinos electrónicos. "Mezclar gadolinio hará que la detección de interacciones electrónicas de antineutrinos sea una tarea muy fácil", dijo Browder. La sal ayudará a los investigadores a separar las interacciones de antineutrinos de las interacciones de neutrinos, lo que aumentará su capacidad de buscar violaciones de invariancia de PC.
"Por ahora, estamos dispuestos a argumentar que la invariancia de la PC se viola en el caso de un neutrino, pero no nos sorprenderá si esto no es así", dijo Andre de Guvea, físico de la Northeastern University. Vasco es un poco más optimista: "Los resultados de 2017 T2K aún no han aclarado nuestra comprensión de la violación de la invariancia CP, pero prometen aumentar la precisión de su medición en el futuro", dijo. "Y quizás el futuro no esté tan lejos como podríamos pensar el año pasado".