Experimento descubre oscilación de antineutrinos provenientes de reactores nucleares

Planta nuclear usada como fuente de antineutrinos para el experimento Daya Bay

Hace algo más de un año contábamos la puesta en marcha de un nuevo experimento de neutrinos llamado Double Chooz, en Francia. El objetivo de dicho experimento era medir cómo los antineutrinos provenientes de una planta nuclear «desaparecen» al alejarse de su fuente. Los neutrinos (o antineutrinos en este caso) no desaparecen en el sentido estricto de la palabra, en realidad cambian de un tipo de neutrino a otro en un fenómeno llamado oscilación de neutrinos, que hemos discutido varias veces en este blog. Una de las cosas que también mencionamos entonces fue que Double Chooz no estaba solo en este estudio. Sus dos competidores (Daya Bay y RENO) comenzaron a funcionar silenciosamente la segunda mitad del año pasado.

Experimento Daya Bay

Ubicado en el sur de China, el experimento Daya Bay es un arreglo de varios detectores de antineutrinos en las cercanías de la planta de energía nuclear del mismo nombre. Una de las ventajas de Daya Bay son sus seis reactores nucleares, comparado con los dos reactores de Double Chooz, lo que permite la toma de datos en un tiempo mucho menor. Además Daya Bay posee varios detectores distribuidos a diferentes distancias de los reactores nucleares, lo que permite mediciones mucho más precisas que los dos detectores de Double Chooz (de los cuales sólo uno está terminado y en funcionamiento). Daya Bay es una colaboración internacional que incluye cerca de 250 físicos de China, Estados Unidos, República Checa, y Rusia.

Las reacciones en un reactor nuclear producen alrededor de 10¹³ antineutrinos por centímetro cuadrado cada segundo, un flujo enorme que permite medir sus propiedades, así como en 1956 permitió el descubrimiento del neutrino, lo que valió en 1995 el Premio Nobel a Frederick Reines, quien junto a Clyde Cowan desarrollaron el llamado Proyecto Poltergeist para detectar al fantasmal neutrino por primera vez.

Esta madrugada, me he levantado a las 4am para seguir un seminario en directo desde Beijing donde Yifang Wang, director del Instituto de Física de Altas Energías y portavoz de la colaboración, presentó el resultado de Daya Bay: antineutrinos electrónicos provenientes de reactores nucleares oscilan luego de propagarse 1.7 km, con una significancia estadística de , por lo que Daya Bay declara su resultados un descubrimiento! (discutimos la diferencia entre evidencia y descubrimiento, así como el significado de la significancia estadística en este post).

Oscilaciones de neutrinos: ¿dónde está mi helado de vainilla?

Los neutrinos no sólo son fantasmales en el sentido que son muy difíciles de detectar (atraviesan todo casi sin interaccionar) sino que también porque sufren una verdadera crisis de identidad. Los neutrinos existen en tres tipos, llamados sabores: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tau. Cuando un neutrino se propaga, es decir, cuando se mueve por el espacio, cambia de un tipo a otro, lo que se conoce como oscilación de neutrinos. Esto significa que neutrinos muónicos o tau pueden observarse provenientes de una fuente de neutrinos electrónicos (como el sol o un reactor nuclear).

Este fenómeno puede entenderse con la siguiente analogía: supongamos que deseamos comer helado de vainilla. Para ello vamos al supermercado, compramos un helado de vainilla y lo llevamos a casa (simple). En nuestro camino de regreso, luego de andar medio kilómetro, nos cuestionamos si el helado que compramos es en realidad de vainilla. Dado que somos desconfiados abrimos la caja de helado para verificar que es en realidad de vainilla y no otro sabor. Luego de estar seguros de que casi el 100% del helado es de vainilla, seguimos la ruta a nuestra casa. Al llegar, luego de andar algo más de 1.7 km desde el supermercado abrimos la caja nuevamente y sorpresa: no es un helado de vainilla, es un helado napolitano, que tiene una parte de vanilla pero también posee partes de chocolate y frutilla! ¿Qué pasó en el camino? Nuestro helado cambió de sabor, una fracción del helado de vainilla se transformó en los otros dos sabores.

Fracción de helado de vainilla a medida que nos alejamos del supermercado

Esto es exactamente lo que ocurre con los neutrinos! El supermercado corresponde a una fuente de neutrinos de cierto sabor (una planta nuclear produce antineutrinos electrónicos en el caso del experimento Daya Bay); los detectores del experimento corresponden a abrir la caja de helado para ver cuánto helado del sabor original nos queda; y la analogía de los tres sabores es directa. La idea de abrir la caja para ver cuándo helado de vainilla queda en la caja es justamente los que los físicos de Daya Bay hacen con sus detectores a diferentes ditancias, lo que les permite medir cuántos antineutrinos electrónicos sobreviven el viaje desde el reactor. El gráfico adjunto (tomado del paper de Daya Bay y ligeramente modificado) muestra que luego 1.7 km se ha perdido casi 10% del sabor original. Los físicos llaman a esto un experimento de desaparición de neutrinos.

Importancia de este resultado: posible violación CP

La oscilación de neutrinos es un descubrimiento fascinante que data de 1998 y corresponde a una clara evidencia de que el Modelo Estándar no es una teoría completa, ya que según el modelo estándar los neutrinos no pueden oscilar. Los físicos han creado un modelo que describe la oscilación de neutrinos y que hasta fecha parece ajustarse muy bien a las observaciones (aunque hay ciertas anomalías). Este modelo depende de seis parámetros (seis números) que deben medirse experimentalmente. Cuatro de ellos son conocidos con bastante precisión. Los dos que faltan son bastante difíciles de medir por lo cual varios experimentos están a la caza de dichos parámetros. Uno de estos parámetros se llama (es un ángulo) del cual por más de una década sólo sabemos que es pequeño, incluso podría ser nulo. La teoría nos dice que si este ángulo es cero entonces los antineutrinos electrónicos provenientes de un reactor nuclear no pueden desaparecer. En otras palabras, si nuestro helado de vainilla seguirá siendo de vainilla luego de andar un par de kilómetros. Por este motivo los experimentos Daya Bay, Double Chooz y RENO fueron diseñados, una medición de desaparición de antineutrinos de reactor indicaría un valor no nulo del ángulo . Esto es exactamente lo que el experimento Daya Bay ha observado (o descubierto), por lo que este resultado corresponde a uno de los resultados más importantes en la historia de la física de neutrinos en varios años. Este mismo ángulo también juega un rol fundamental en experimentos que usan neutrinos creados en aceleradores de partículas. El año pasado los experimentos T2K (en Japón) y MINOS (en EEUU) mostraron lo que parecían ser señales de un ángulo no nulo, pero con muy baja significancia estadística que no permitía ni siquiera declarar la evidencia de esta observación. Ahora Daya Bay ha observado la desaparición de mi helado de vainilla antineutrinos electrónicos estableciendo el descubrimiento de , con una significancia estadística de . Este ha sido declarado el descubrimiento más importante en física hecho en China.

La medición del ángulo es un paso necesario para medir el último de los parámetros del modelo que describe los neutrinos, es otro ángulo llamado , el cual cuantifica posibles diferencias entre neutrinos y antineutrinos (los físicos llaman a esta posible diferencia violación CP) lo que podría explicar la asimetría entre materia y antimateria en el recién nacido universo, por lo cual deberíamos a este ángulo nuestra propia existencia y la de todo el universo (como contamos en este post). Ahora que Daya Bay ha medido un valor de bastante grande, es cuestión de tiempo para Double Chooz, MINOS y T2K lo verifiquen. Asi mismo, un valor tan grande de este ángulo abre la posibilidad de medir violación CP en T2K y MINOS, así como en el experimento NOvA (EEUU) en construcción, diseñados para esta tarea, por lo cual el anuncio de Daya Bay es al mismo tiempo excelentes noticias para estos equipos pavimentándoles el camino. Toda posibilidad de la existencia de violación CP en neutrinos depende del ángulo recién medido por Daya Bay, ya que cualquier efecto de la violación CP desaparece si . Con sólo 55 días recolectando datos, Daya Bay ha ganado la carrera en la que cinco equipos internacionales han tratado de medir (Daya Bay, Double Chooz, MINOS, RENO, y T2K). Daya Day comenzó sus operaciones el 24 de diciembre y a mediados de enero ya tenían señales que apuntaban al resultado anunciado. En junio de este año se realizará en Japón la más importante conferencia de neutrinos (Neutrino2012), la que incluirá varios interesantes resultados, probablemente entonces Double Chooz tenga su nuevo análisis que permita confirmar el descubrimiento de Daya Bay, además sabremos algo más de los neutrinos en OPERA.

Resumiendo, excelentes noticias para la física de neutrinos, un resultado tan sólido como el anunciado hoy era esperado con ansias ante tantos resultados con baja significancia estadística que no permitían sacar conclusiones concretas. Daya Bay dio un golpe tremendo hoy, ganando una carrera que ni los más optimistas pensaban terminaría tan pronto y abre la puerta al estudio de la violación CP, lo que podría llegar a responder una pregunta tan profunda como el por qué existimos. Personalmente encuentro espectacular poder hablar de un descubrimiento en neutrinos luego de tantos años. Además, mientras muchos experimentos verifican lo bien que funciona el modelo estándar, la física de neutrinos ya está haciendo mediciones más allá del modelo estándar.