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El experimento T2K presenta los resultados más precisos sobre las diferencias entre materia y antimateria en neutrinos

April 15, 2020

  • Los resultados ayudan a revelar una propiedad básica de los neutrinos que no se había medido hasta ahora, y son un paso importante para saber si los neutrinos se comportan de manera diferente en sus formas de materia y antimateria.
  • Los resultados, obtenidos utilizando datos recopilados hasta 2018, se han publicado hoy 15 de abril en la revista Nature como artículo de portada.
  • Investigadores del Institut de Fìsica d’Altes Energies (IFAE) en Barcelona, del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) en Valencia y de la Universidad Autónoma de Madrid participan en el resultado

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 δCP, 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.

CP Violation phase diagram
La flecha indica el valor más compatible con los datos. La región gris está desfavorecida con un nivel de confianza del 99,7% (3). Casi la mitad de los posibles valores están excluidos. Credit: T2K Collaboration

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.

The T2K experiment uses a beam consisting primarily of muon neutrinos or muon antineutrinos created using the proton beam from the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) located in Tokai village on the east coast of Japan. A small fraction of the neutrinos (or antineutrinos) are detected 295 km away at the Super-Kamiokande detector, located under a mountain in Kamioka, near the west coast of Japan. As the muon neutrinos and muon antineutrinos traverse the distance from Tokai to Kamioka (hence the name T2K), a fraction will oscillate or change flavor into electron neutrinos or electron antineutrinos respectively. The electron neutrinos and electron antineutrinos are identified in the Super-Kamiokande detector by the rings of Cherenkov light that they produce (shown below). While Super-Kamiokande cannot identify each event as a neutrino or antineutrino interaction, T2K is able to study the neutrino and antineutrino oscillations separately by operating the beam in neutrino mode or antineutrino mode.

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 la aldea de 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 δcp 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 δCP 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.

Event Display
Visualizaciones de eventos de eventos candidatos de neutrino electrónico (izquierda) y antineutrino electrónico (derecha) observados en Super-K desde el haz de neutrinos T2K. Cuando un electrón neutrino o antineutrino interactúa con el agua, se produce un electrón o positrón. Emiten una luz de patrón de anillo débil, que es detectada por unos 11,000 fotosensores. El color en las pantallas representa el tiempo de detección de fotones. Credit: T2K Collaboration

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 δCP = −90º, que son 82 y 17 eventos respectivamente. Y difieren considerablemente de las tasas esperadas para δCP = + 90º, que son 56 y 22, respectivamente.

Plot
Los eventos candidatos observados de neutrino de electrones (izquierda) y antineutrino de electrones (derecha) con predicciones para la mejora máxima de neutrinos (rojo, trazo largo) y la mejora máxima de antineutrino (azul, trazo corto). Credit: T2K Collaboration
Table
El número observado de eventos candidatos a neutrinos electrónicos y antineutrinos electrónicos con expectativas de potenciación máxima de neutrinos (δcp = 90º) y potenciación máxima de antineutrinos (δcp = + 90º). Credit: T2K Collaboration

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

Más información sobre el experimento T2K en el sitio web de T2K.