Cómo aclarar la diferencia entre neutrinos y antineutrinos

Los científicos José Bernabéu y Alejandro Segarra del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, centro mixto de la Universidad de Valencia y el CSIC) acaban de publicar en la revista Physical Review Letters la solución a un problema que se venía discutiendo en física de neutrinos desde hacía décadas.

Observando un fenómeno conocido como ‘oscilaciones de neutrinos’, la ciencia busca respuesta a por qué vivimos en un universo de materia y no de antimateria, su réplica idéntica. Sin embargo, este proceso se ve afectado por la propia Tierra, hecha de materia, que crea un efecto engañoso que se consideraba inseparable de la observación genuina de las diferencias entre materia y antimateria.

Los investigadores José Bernabéu y Alejandro Segarra han presentado el nuevo teorema. / IFIC (CSIC-UV)

Ahora los dos investigadores proponen un modo de ‘desenmarañar’ o separar ambos efectos, con aplicación en futuros experimentos como DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) en Estados Unidos y T2HK (Tokai to Hyper-Kamiokande) en Japón.

Los neutrinos son unas partículas elementales especiales: apenas tienen masa y rara vez interactúan con el resto de materia conocida. Abundan en una radiación aún no detectada producida en la época primigenia del universo, y se cree guardan la clave de la asimetría materia-antimateria, la explicación a por qué la materia se impuso a la antimateria para formar todo lo que vemos en el cosmos.

Para estudiar esta cuestión, una de las más importantes de la Física, se compara el comportamiento de neutrinos y su réplica de antimateria, los antineutrinos, producidos en aceleradores de partículas y detectados a cientos de kilómetros de su origen.

Durante ese viaje los neutrinos ‘oscilan’, se transforman entre los tres tipos que se conocen (electrónico, muónico y tauónico). Este fenómeno, conocido como ‘oscilaciones de los neutrinos’ y cuyo descubrimiento supuso el Nobel de Física de 2015, se produce en el interior de la Tierra, ya que los neutrinos pueden atravesarla al interactuar muy poco con la materia que la forma.

“Esto crea un efecto engañoso ‘enmarañado’ con la búsqueda del efecto genuino propio de la diferencia entre neutrinos y antineutrinos como si se propagaran en el vacío”, explica José Bernabéu, profesor emérito de la Universidad de Valencia y coautor del trabajo junto a Alejandro Segarra, estudiante de doctorado en el departamento de Física Teórica y el IFIC.

“Los dos efectos, el genuino y el engañoso, se manifiestan del mismo modo entre neutrinos y antineutrinos, así que parece imposible desenmarañarlos. Pero se pueden separar si se comportan de forma distinta bajo otras propiedades”, argumenta Bernabéu.

Los dos autores presentan un teorema de desenmarañamiento de los dos efectos, que poseen propiedades distintas bajo otras simetrías fundamentales de la Física como la llamada inversión temporal (T) y la combinada carga, paridad e inversión temporal (CPT), estudiadas anteriormente por Bernabéu en otros sistemas físicos.

Esto permite diferenciar el efecto genuino de las diferencias entre neutrinos y antineutrinos del efecto engañoso, puesto que este último presenta una ruptura de la simetría CPT que no aparece en el genuino.

Energía mágica para distinguir el efecto engañoso

La primera consecuencia del teorema de Bernabéu y Segarra es que las componentes que identifican los dos efectos dependen de modo distinto de la distancia que recorren los neutrinos. Sin embargo, los experimentos que miden sus oscilaciones no pueden situar distintos detectores a lo largo de su viaje por la Tierra, sino que construyen un único detector a una distancia fija que oscila entre los 300 kilómetros del experimento T2HK y los más de 1.000 de DUNE.

Lo que sí pueden medir estos detectores es la energía de la oscilación, esto es, la energía con la que llegan los neutrinos. Así, en este artículo los investigadores del IFIC exploran la energía esperada para cada una de las componentes, la genuina y la engañosa, encontrando que, de hecho, es muy distinta, lo que proporcionaría una señal experimental para separarlas.

Gráfico que muestra el distinto comportamiento de las dos componentes de la asimetría entre neutrinos y antineutrinos, la engañosa (en verde) y la genuina (en azul), alrededor de la llamada ‘energía mágica’. / Bernabéu, J. & Segarra, A./PRL

Este último resultado ha motivado un estudio detallado que los mismos autores publican en Journal of High Energy Physics, donde analizan esa dependencia energética y descubren el origen de su distinto comportamiento para la componente genuina y la engañosa.

Los físicos valencianos hallan una ‘energía mágica’ en la que coinciden tres propiedades: el segundo máximo donde se producen las oscilaciones de neutrinos, que ofrece una cantidad apreciable de eventos para estudiar; anula la componente engañosa y proporciona un máximo de efecto genuino para obtener una evidencia directa de la ruptura de la simetría entre materia y antimateria.

En los 1.300 kilómetros que separan el laboratorio Fermi, cerca de Chicago, y el detector en construcción en Dakota del Sur de DUNE, esa energía mágica es 0,91 GeV.

“Esta ‘energía mágica’ es accesible y reconstruible en el experimento incluso con una precisión modesta en la determinación de su valor con una incertidumbre de 0,15 GeV”, afirman los investigadores.

Por otra parte, a energías superiores a este valor mágico domina la componente engañosa, y el signo de la diferencia observada entre neutrinos y antineutrinos ofrece la solución a otro problema aún abierto: la ordenación de los niveles de menor a mayor masa de los tres tipos de neutrinos.

Con estos resultados es posible ahora realizar una simulación rigurosa del experimento y adaptar su diseño para observar si existe una diferencia fundamental entre el comportamiento de neutrinos y antineutrinos, algo en lo que trabajan los investigadores junto con el grupo del IFIC que participa en DUNE.