El proyecto Daya Bay para la medición de neutrinos alcanza una precisión sin precedentes

UC/DICYT

En la región de Daya Bay en China, alrededor de 55 kilómetros al noreste de Hong Kong, está en marcha un proyecto de investigación para estudiar partículas misteriosas y elusivas llamadas neutrinos. La colaboración Daya Bay anunció nuevos descubrimientos en la medición de neutrinos, cimentando el camino hacia nuevas investigaciones y confirmando que este experimento continúa siendo uno de los más importantes que existe en la actualidad.

Los últimos descubrimientos involucran mediciones que rastrean cómo los neutrinos cambian de tipo (o sabor) mientras se propagan, un fenómeno llamado oscilación de neutrinos. El estudio de este fenómeno permite a los investigadores el determinar dos propiedades claves de los neutrinos: su ángulo de mezcla y su diferencia de masas.

Las mediciones de estas propiedades realizadas en el experimento Daya Bay son las más precisas a la fecha en el mundo, habiendo tenido un aumento en la precisión de aproximadamente un factor de dos sobre mediciones anteriores (publicadas a comienzos de 2014). Estos nuevos resultados serán publicados en la prestigiada revista Physical Review Letters.

«Hemos avanzado de la era de los descubrimientos a la era de la precisión», explica Juan Pedro Ochoa-Ricoux, miembro del equipo y académico del Instituto de Física de la Pontificia Universidad Católica de Chile (UC),. El equipo de investigación incluye más de doscientos científicos de siete regiones y países. La UC participa activamente en este proyecto, en el cual Ochoa estuvo involucrado desde sus inicios. Actualmente hay dos académicos postdoctorales y varios estudiantes de la UC también involucrados.

«Es importante medir lo más precisamente posible estos parámetros», dice Ochoa, “porque los neutrinos son la segunda partícula más abundante en el universo y, por ende, este último no se puede comprender bien sin un sólido conocimiento de estas partículas”. Por ejemplo, los neutrinos podrían contener la llave para entender la asimetría entre materia y antimateria en el Universo. Esta asimetría, conocida como la carga-paridad o violación CP, explica porqué inmediatamente después del Big Bang, cuando la mayoría de la materia y antimateria se aniquilaron, quedó un poco de materia para formar el Universo tal como lo vemos hoy.

El neutrino fluctuante

El comportamiento de los neutrinos es diferente al de las otras partículas fundamentales. ya que desaparecen, reaparecen y se transforman mientras viajan. Además, pueden atravesar enormes cantidades de materia sin detenerse, desde nuestros cuerpos hasta los planetas, el sol, e incluso galaxias enteras.

Hasta ahora se sabe que los neutrinos vienen por lo menos en tres estados (denominados “sabores”, aunque sin ninguna conexión con la comida): electrón, muón y tau. Mientras el neutrino viaja, debido a fluctuaciones de mecánica cuántica, oscila (fluctúa) entre sabores. Esto quiere decir que una partícula que comienza como un neutrino electrón podría, en algún punto, convertirse en un neutrino tau. Luego, en otro punto, podría regresar a su estado inicial. A medida que pasa el tiempo estas transformaciones se suceden una y otra vez, con una frecuencia y amplitud particular, como tienen las ondas de luz y sonido. La amplitud de la oscilación permite medir el llamado ángulo de mezcla, mientras que la frecuencia entrega información acerca de la diferencia entre las masas.

La red de neutrinos

Para estudiar las oscilaciones de neutrinos, la colaboración Daya Bay sumergió ocho detectores que pesan más de cien toneladas cada uno, en tres enormes piscinas subterráneas de agua ultra pura. Cada uno de estos detectores se ubica a distinta distancia de seis reactores nucleares del “China General Nuclear Power Group,” en la zona de Daya Bay. Los reactores emiten flujos estables de antineutrinos tipo electrón que, para fines del experimento, son esencialmente lo mismo que los neutrinos del mismo sabor. Los detectores captan las transformaciones que ocurren mientras estos millones de cuatrillones de antineutrinos electrónicos se propagan.

En base a los datos acumulados en 621 días, el equipo de investigación determinó el valor para el ángulo de mezcla denominado theta13 (theta-uno-tres), con una precisión dos veces mejor que resultados anteriores, obteniendo así la medición más precisa en el mundo de este parámetro. Un aumento similar se obtuvo en la medición de la diferencia de masas.

«Como tenemos tantos datos y nuestros detectores están funcionando muy bien, hemos alcanzado mediciones tan precisas que serán cruciales para futuros experimentos de neutrinos. También serán cruciales para entender cómo funciona nuestro mundo en su nivel más fundamental, es decir a nivel sub-atómico», afirma Juan Pedro Ochoa y agrega que estas mediciones respaldan el modelo que es el más aceptado actualmente en la comunidad científica y que dicta que solo existen tres tipos de neutrinos.

La colaboración Daya Bay continúa recolectando datos y a fines de 2017 tendrá aproximadamente cuatro veces más, lo que le permitirá tener aún más precisión para el ángulo de mezcla theta13 y la diferencia de masas. Para entonces, los tres ángulos de mezcla de los neutrinos (incluyendo theta12 y theta23) y las diferencias de masa podrían ser determinados con precisiones similares, de aproximadamente tres por ciento. Esto permitirá grandes avances en el entendimiento de la física de partículas.

La precisión de los datos, sin precedentes en el mundo, permitirá nuevos estudios. El equipo también está buscando evidencia de un posible neutrino estéril, un cuarto tipo de neutrino hipotético que podría mezclarse con los tres estados (sabores) conocidos. Si el neutrino estéril aparece en los datos, los científicos deberán repensar el modelo de tres neutrinos. Además, la muestra de datos de Daya Bay (que rompe records en cuanto a su abundancia y precisión) es ideal para buscar nueva física, más allá de lo conocido. Esto es algo que se está haciendo activamente y en donde el grupo de la UC también juega un rol preponderante.

«El experimento Daya Bay está enfocado en los neutrinos para poder darnos un mejor entendimiento de la física fundamental y de nuestro Universo», finaliza Ochoa.