Indicios de violación en la simetría materia-antimateria en un experimento con neutrinos

La razón por la que el universo hoy en día se compone principalmente de materia, en lugar de estar compuesto de partes iguales de materia y antimateria, es una de las preguntas más intrigantes en toda la física. Una de las condiciones necesarias para que la materia domine sobre la antimateria es que se produzca lo que se conoce como la violación de la simetría de carga y paridad (CP).

Esta simetría indica que las leyes de la física deberían ser iguales si se ven al revés en un espejo (paridad) y con toda la materia intercambiada con antimateria (carga). En neutrinos, una violación de la simetría CP se manifestaría como una diferencia en las probabilidades de oscilación de neutrinos y antineutrinos.

En concreto, la diferencia de la probabilidad de aparición de neutrinos electrónicos frente a la probabilidad de aparición de antineutrino electrónicos depende del valor de la fase de violación de CP (δCP) introducida por los investigadores Kobayashi y Maskawa. La fase de CP puede tomar cualquier valor entre -180° y +180°. Si el valor se desvía de 0° y ± 180°, entonces se produce la violación de la simetría CP. Este valor se ha medido en torno a los 68° para los quarks, pero no se había medido con anterioridad para neutrinos.

Los datos del experimento T2K rechazan la hipótesis de que los neutrinos y los antineutrinos oscilan con igual probabilidad, con con un nivel de confianza del 95%

Ahora la colaboración internacional T2K, cuyo objetivo es medir esta fase de neutrino CP por primera vez, acaba de presentar una nueva medida que refuerza la posibilidad que la simetría entre la materia y la antimateria puede ser violada en la oscilación de los neutrinos. Esta medida se basa en un análisis preliminar de los últimos datos de T2K y rechaza la hipótesis que los neutrinos y los antineutrinos oscilan con la misma probabilidad con un nivel de confianza del 95% (2σ o sigma).

El nuevo análisis, que refuerza los indicios obtenidos en 2016, se basa tanto en el análisis del doble de datos acumulados respecto a los usados el año pasado así como en un nuevo método de análisis de datos de neutrinos y antineutrinos utilizando un novedoso algoritmo de reconstrucción de eventos para interacciones en el detector Super-Kamiokande.

El profesor Mark Hartz, del Tokyo Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Japón) y TRIUMF (Canadá), presentó los resultados en un coloquio de la Organización de Investigación sobre Aceleradores de Alta Energía (KEK, por sus siglas en inglés) en Tsukuba, Japón.

El experimento T2K

En el experimento T2K, se produce un haz de neutrinos muónicos en el Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) ubicado en la localidad de Tokai, en la costa oriental de Japón. El haz de neutrinos se crea haciendo colisionar protones de una energía de 30 GeV producidos el anillo principal de J-PARC sobre un blanco cilíndrico produciendo un intenso haz de partículas secundarias que se enfoca y filtra mediante lentes magnéticas. Éste haz de partículas se desintegra creando un intenso flujo de neutrinos o antineutrinos muónicos, dependiendo del filtrado realizado por las lentes magnéticas.

El ratio observado de aparición de neutrinos electrónicos es significativamente mayor de lo que se esperaría si se conservara la llamada simetría de carga-paridad

El haz neutrinos o antineutrinos se monitoriza a 280 m del punto de producción y se dirige hacia el gigantesco detector subterráneo Super-Kamiokande (en la imagen) situado en Kamioka, cerca de la costa oeste de Japón, a 295 kilómetros de distancia de Tokai. Durante el viaje, una fracción de los neutrinos muónicos oscila, es decir, se converte en neutrinos electrónicos y neutrinos tau.

La búsqueda de la violación de la simetría CP con neutrinos y antineutrinos en T2K empezó con el descubrimiento, realizado por dicha colaboración en 2013, de la aparición de neutrinos electrónicos en un haz de neutrinos muónicos. Esta fue la primera observación estadísticamente significativa de la aparición de un sabor neutrino y constituye un ejemplo de oscilación de neutrinos, un fenómeno de interferencia de largo alcance de origen cuántico.

La oscilación de los neutrinos demuestra concluyentemente que los neutrinos tienen masa distinta de cero. El descubrimiento de la aparición del neutrino electrónico de T2K dio lugar a la concesión del Breakthrough Prize for Fundamental Physics 2016, otorgada, en parte, a Koichiro Nishikawa ya a la colaboración T2K en su conjunto.

Más datos y nuevos algoritmos

Los nuevos datos de T2K muestran que el ratio observado de aparición de neutrinos electrónicos es significativamente mayor de lo que se esperaría si se conservara la simetría de CP. En contraste, el conjunto de datos de antineutrinos, aunque todavía demasiado pequeño para hacer afirmaciones contundentes, muestra una menor apariencia de antineutrinos electrónicos que la que se esperaría si la simetría CP se conserva.

T2K observa 89 neutrinos electrónicos mientras que se esperan aproximadamente 67 neutrinos si no hubiera violación de CP, y observan 7 antineutrinos de electrones cuando se esperan aproximadamente 9. Cuando se analizan en el marco teórico que incluyen los tres sabores de neutrino y antineutrino, y combinados con medidas de desaparición de antineutrinos electrónicos hechas en experimentos con reactores, los datos de T2K excluyen la conservación de CP al nivel de confianza del 95%.

Este nuevo análisis se basa en un nuevo algoritmo de reconstrucción de eventos mejorado para las interacciones neutrino y antineutrino en Super-Kamiokande. Con este nuevo algoritmo, se mejora la relación entre la señal y el fondo de eventos utilizados en el análisis y se reducen los errores sistemáticos asociados con la reconstrucción de eventos.

Además, el nuevo algoritmo de reconstrucción permite que el volumen del detector se utilice más eficazmente para recoger interacciones de neutrinos. Este nuevo resultado de violación de CP también incluye el uso de una muestra adicional seleccionada de eventos de neutrinos electrónicos en Super-Kamiokande. Tomados en conjunto, el nuevo algoritmo de reconstrucción y la cantidad de datos adicionales de la muestra dan un aumento de la eficiencia de selección de datos del 30%.

Contribución española

El experimento T2K ha sido construido y operado por una colaboración internacional compuesta, en la actualidad, por más de 400 físicos de 59 instituciones pertenecientes a 11 países (Alemania, Canadá, EEUU, España, Francia, Gran Bretaña, Italia, Japón, Polonia, Rusia y Suiza). El experimento está financiado principalmente por el ministerio de cultura, deportes, ciencia y tecnología (MEXT) de Japón.

España contribuye con dos grupos de investigación, del Institut de Fìsica d’Altes Energies (IFAE) en Barcelona y  del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) en Valencia, que han participado en el diseño, construcción y operación del experimento durante más de 10 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).