T2K sigue investigando neutrinos tras el terremoto de Japón

En junio de 2011, justo un año atrás, T2K anunciaba los primeros indicios de un nuevo tipo de oscilación entre neutrinos, la de los neutrinos muónicos en neutrinos electrónicos. Se confirmaba así que las tres familias de neutrinos que existen -electrón, muón y tau- pueden transformarse una en la otra, y la otra en la una.

Un año más tarde, después de reparar las instalaciones del acelerador J-PARC que destruyó el terremoto de marzo de 2011 en Japón, T2K vuelve al liderazgo de la investigación en la física de neutrinos. En la conferencia Neutrino 2012 que se celebra del 3 al 9 de junio en Kyoto, la colaboración internacional presenta una medida mejorada del ángulo θ ₁₃, el parámetro que cuantifica la oscilación entre los neutrinos muónicos y los electrónicos.

Que T2K mejore la medida de este ángulo puede parecer irrelevante en estos momentos. Los experimentos Double'Chooz en Francia –en el que participa el grupo de neutrinos del CIEMAT en Madrid-, Daya Bay en China o Reno en Corea han medido también este parámetro, con más precisión incluso de la que ahora lo hace el experimento de Japón.

Pero como explica el investigador Federico Sánchez, responsable en T2K del Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), “los nuevos resultados no solo confirman la medida del año pasado en T2K sino que coinciden con las medidas hechas en los reactores. Esto es muy importante, porque suponen medir un mismo parámetro a partir de técncas experimentals diferentes y en fenómenos distintos, aunque relacionados a través de una teoría común”.

T2K es un experimento diseñado para explotar al máximo el estudio de estas oscilaciones: es el único que observa directamente la oscilación de los neutrinos muón en neutrinos electrón, es decir, que observa la creación de neutrinos electrónicos. Esto lo convierte en un experimento singular a la hora de medir algunos de los parámetros que caracterizan esta oscilación. Y es precisamente en estos parámetros donde se esconde uno de los secretos mejor guardados, hasta ahora, de la física: ¿Por qué nuestro universo está formado de materia?

Si la oscilación de los neutrinos se produce entre las tres posibles cargas leptónicas de los neutrinos, entonces el modelo predice una posible violación de la simetría entre la materia y la antimateria, conocida como simetría CP. Esta antisimetría vendría condicionada por si los neutrinos y sus antipartículas se comportan del todo igual o ligeramente diferentes en estas oscilaciones. Si lo hacen de manera diferente, tal vez sea esta la asimetría que hizo que la materia acabara dominando el universo.

En T2K, que mira la oscilación neutrino muón-electrón, las oscilaciones dependen del parámetro que determinaría la violación de la simetría CP. En el caso de los experimentos basados en reactores nucleares, como es el caso de Daya Bay, las oscilaciones se observan como una desaparición de antineutrinos electrón –canal que no se altera con la violación de CP. Combinando estas dos medidas es posible desacoplar el parámetro CP, y determinar así si hay violación de simetría entre la materia y la antimateria.

T2K es un experimento de neutrinos basado en Japón que genera un haz de neutrinos muónicos en Tokai, en los aceleradores del laboratorio J-PARC. El detector Super-Kamiokande, situado a 296 quilómetros, en la costa oeste de Japón, recibe este mismo haz y mide la cantidad de neutrinos que han oscilado en el trayecto desde el acelerador. Este experimento es el resultado de la colaboración de institutos de física de Japón, Canadá, Francia, Alemania, Italia, Corea del Sur, Polonia, Rusia, Suiza, Estados Unidos, Reino Unido y España. El IFAE y el IFIC (CSIC-UV) son los centros de investigación españoles que trabajan en este experimento, con el apoyo del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN).

Investigación en oscilaciones de neutrinos

En 1998 el experimento Super-Kamiokande observa las primeras oscilaciones de neutrinos. Al medir los flujos de neutrinos electrón y muón que llegan a la superficie terrestre, vieron que el número de neutrinos muón era inferior al producido en las interacciones de rayos cósmicos, los conocidos como neutrinos atmosféricos. Este fenómeno ya se vislumbraba desde los años 70, cuando en los experimentos diseñados para medir los flujos de neutrinos creados en el interior del Sol, en los procesos de fusión del hidrógeno para crear helio, se observaron menos neutrinos electrónicos de los esperados.

Estas oscilaciones se miden en unos ángulos que describen la probabilidad de transformación, conocidos como θ₁₂ y θ ₂₃, y no implicaban la existencia de una violación de la simetría CP. Era necesario que otro ángulo θ ₁₃ fuera diferente de cero, es decir, era necesario un tercer tipo de oscilación, para abrir la posibilidad de una violación de CP en las oscilaciones de neutrinos.

T2K es uno de los experimentos diseñados para la observación directa de las oscilaciones de neutrinos muón en neutrinos electrón. La primera observación de esta oscilación, que medía con cierta precisión θ₁₃, la dio a conocer T2K en junio de 2011. Medir este parámetro implica saber cuántos neutrinos muón creados en J-PARC se transforman en neutrinos electrón antes de llegar a Super-Kamiokande. Y eso quiere decir conocer con precisión el flujo de neutrinos muón que sale de Tokai, y la contaminación de muones electrónicos en el haz cuando éste llega a Super-Kamiokande.

Estas dos medidas, y el cálculo del ángulo que mide la oscilación entre estos dos tipos de neutrinos, se presentan hoy en Kioto, en la conferencia internacional Neutrino 2012. El Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), en la UAB, ha contribuido de forma muy activa a las dos medidas.

El grupo de física de neutrinos del IFAE, liderado por los investigadores Enrique Fernández y Federico Sánchez, ha participado en muchos de los grandes hitos de la física de neutrinos de la última década. Pero los últimos meses han sido muy duros por las incertidumbres que había generado el terremoto. “Este resultado viene a mostrar que T2K sigue luchando en primera línea de la física de neutrinos y que aún tiene mucho que aportar.

Desde la perspectiva del IFAE es muy reconfortante y da sentido al esfuerzo de estos años, en los que el instituto ha participado en la construcción de uno de los detectores más importantes del experimento y últimamente ha contribuido en dos medidas claves para la medida de las oscilaciones. Después de 10 años, el IFAE ya es parte de la élite de la física de neutrinos en el mundo”, comenta Federico Sánchez satisfecho por el trabajo hecho.

El IFAE es un centro de investigación situado en el campus de la UAB que participa, a partir de colaboraciones internacionales, en la investigación de la física de altas energías, la física de neutrinos, la astrofísica y la cosmología observacional. En los últimos años, la investigación aplicada a la medicina se está convirtiendo en la quinta línea de investigación del centro.