Experimento MINOS complementa el estudio de neutrinos de T2K

La semana pasada la comunidad de científicos que trabaja en física de neutrinos siguió con expectación el anuncio que el experimento T2K tenía preparado. Como contamos en el post anterior, T2K reportó señales de un tipo de oscilación de neutrinos (cambio de un tipo o sabor de neutrino en otro) que podría tener profundas consecuencias que van más allá de la física de partículas, ya que podría ayudarnos a comprender por qué existimos. El pasado viernes, otro experimento llamado MINOS anunció sus resultados en el estudio del mismo fenómeno.

Para comprender la conexión entre estos experimentos de neutrinos y el imbalance de materia-antimateria que dio origen al universo que vemos hoy en día hay que ordenar un par de ideas: sabemos que cuando una partícula se encuentra con su antipartícula estas se aniquilan sólo dejando energía. Luego del big bang, cantidades idénticas de materia y antimateria fueron creadas, por lo tanto estas debieron aniquilarse completamente. Sin embargo vivimos en un universo que contiene materia y nada de antimateria, esto significa que antes de aniquilarse debió existir cierto imbalance entre materia y antimateria, esa pequeña diferencia es lo que con el tiempo formó estructuras, galaxias, estrellas, planetas, etc.

transformación CP de un electrón

Bariogénesis y Leptogénesis

Las partículas que forman la materia (constituída por tres quarks) como protones y neutrones se denominan bariones. El imbalance, o cantidades diferentes, de bariones y antibariones en el universo temprano habría ocurrido debido a una serie de procesos que los físicos llaman bariogénesis. En 1967, el ruso Andrei Sakharov propuso un conjunto de condiciones necesarias para la bariogénesis, una de ellas es la llamada violación de la simetría CP.  La simetría CP establece que el comportamiento de un sistema de partículas debe ser idéntico al de sus correspondientes antipartículas (C) vistas en un espejo* (P). La violación CP fue observada en experimentos con partículas llamadas kaones en 1967 por James Cronin y Val Fitch, que les valió el Premio Nobel en 1980, sin embargo se ha demostrado que la magnitud de esta violación CP no es suficiente para generar las estructuras que se observan en el universo. Existe, sin embargo, un grupo de partículas fundamentales (llamadas leptones) que podrían haber experimentado un proceso similar a la bariogénesis llamado leptogénesis. Este proceso podría (de forma algo más compleja) producir bariogénesis. La leptogénesis también requiere violación CP pero esta vez en leptones. Los seis tipos de leptones son: electrón e, muón \mu, y tau \tau (con carga eléctrica negativa) y sus correspondientes neutrinos: \nu_e, \nu_\mu, y \nu_\tau (sin carga eléctrica). La violación CP no ha sido observada en los leptones con carga eléctrica, por lo que los físicos tienen sus ojos en los neutrinos.

Neutrinos y violación CP

En neutrinos, la posibilidad de violación CP está determinada por una cantidad que los físicos llaman \delta.
Cómo medir \delta? La manera directa sería estudiar neutrinos, luego estudiar antineutrinos y después comparar, en este caso la medición es proporcional a la cantidad \sin^22\theta_{13}\sin\delta, donde \theta_{13} es un ángulo que puede ser medido de diferentes maneras, por ejemplo, en experimentos con reactores nucleares. Sin embargo comparar neutrinos y antineutrinos tomará muchos años, posiblemente una década, por lo que los físicos han encontrado otros métodos usando oscilaciones de neutrinos (hemos descrito el significado de estas oscilaciones en post anteriores aquí, aquíaquí, y aquí) para medir el ángulo \theta_{13}, el cual debe ser distinto de cero para que los neutrinos violen CP. Un tipo muy particular de oscilación es la transformación \nu_\mu\rightarrow\nu_e, ya que posee una huella experimental muy bien definida y permite determinar la cantidad \sin^22\theta_{13}, el primer paso antes de medir \delta. Esto es justamente lo que T2K está intentando medir, sin embargo no está solo en la carrera.

vista aerea de Fermilab

Experimento MINOS

Fermilab es el laboratorio de física de partículas más importante en Estados Unidos, en particular de neutrinos. Ubicado al oeste de Chicago, allí se estudian muchas partículas en su colección de aceleradores. Uno de ellos es el llamado Main Injector, en el cual se aceleran protones los cuales son lanzados contra un blanco (una barra de grafito) generando mesones que luego decaen en neutrinos, principalmente \nu_\mu. Esta secuencia produce el haz de neutrinos del experimento MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search), los cuales recorren 735 km. bajo tierra hacia un enorme detector de 5400 toneladas de acero ubicado a unos 700 metros en un laboratorio subterráneo en Soudan, en el norte de Minnesota. Este experimento ha estado en funcionamiento desde 2005.
La tarde del viernes, MINOS anunció lo que sus mediciones indican en la búsqueda de la oscilación \nu_\mu\rightarrow\nu_e. Mientras que diez días antes T2K mostró que el valor más probable es \theta_{13}\approx10^\circ, los resultados de MINOS muestran podría ser más pequeño \theta_{13}\approx6^\circ, sin embargo ambos experimentos son consistentes en sus resultados ya que lo que cada experimento mide es un rango de posibles valores con un determinado número que es el que mejor se ajusta a la medición, como muestra la figura. Qué queda ahora por hacer? Como suele ocurrir en la mayoría de los experimentos, más datos son necesarios para disminuir el tamaño de las regiones medidas en cada experimento, notar que MINOS es consistente con \theta_{13}=0^\circ. T2K comenzará a tomar más datos a fines de este año (está detenido debido al terremoto en Japón), mientras que MINOS seguirá funcionando a hasta febrero de 2012, mientras se finaliza la construcción de otro experimento llamado NOvA, así con más datos se espera determinar con precisión si \theta_{13} es distinto de cero, lo que permitiría la posibilidad de que exista violación CP en neutrinos y quizás podamos comprender por qué el universo que nos rodea existe.

MINOS es una colaboración internacional de más de 140 científicos de 30 instituciones en cinco países: Brasil, Estados Unidos, Grecia, Polonia, y el Reino Unido.

*: estrictamente hablando la transformación P (llamada paridad) consiste en invertir todas las coordenadas, mientras que un espejo sólo proporciona una imagen especular.

Links: (español) El País, (inglés) Symmetry Breaking, PhysOrg, Interactions.
Imágenes: Fermilab

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Acerca de Jorge Diaz

Jorge es físico teórico. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, EEUU y luego trabajó como investigador postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Aunque su especialidad son los neutrinos y la física nuclear, ahora se dedica a Machine Learning en una industria de software. En Twitter: @jsdiaz_
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12 respuestas a Experimento MINOS complementa el estudio de neutrinos de T2K

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