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Los datos del experimento T2K parecen apuntar a una violación de la simetría CP con neutrinos, pero con poca significación estadística.

¿Por qué hay algo en lugar de nada? Se puede intentar contestar a esta pregunta, incluso desde el punto de vista científico, desde varios ángulos.

Uno de esos ángulos es el la asimetría entre materia y antimateria. Si usted, amigo lector, el planeta en el que vive y todo lo que le parece sólido, liquido y gaseoso, incluidas las estrellas y planetas, existen es porque la materia prevalece sobre la antimateria.

Este es uno de los grandes misterios. El Universo debe ser imperfecto, debe de haber una asimetría primordial para que durante el Big Bang no todas las partículas de materia encontraran partículas de antimateria con las que aniquilarse y que así quedara un residuo de materia que al final formó todo lo que conocemos como contenido del Universo. Si no existiera esa imperfección la simetría hubiera sido perfecta y sólo quedaría radiación. No habría materia para formar estrellas, planetas o humanos. En un Universo perfecto no existiríamos. Pero la realidad nos dice que esa simetría debe estar rota, pese a que la Física nos diga que la materia y antimateria tienen comportamientos equivalentes.

Una de las maneras en las que esa simetría puede quedar rota es la violación de la simetría CP. En un Universo perfectamente simétrico, la física de partículas funcionaría igual invirtiendo la carga y la paridad (reflexión especular). Así que, para que no sea así y esta simetría quede rota, las reacciones entre partículas bajo la simetría de carga y de paridad no se deben de cumplir de algún modo. Sobre esto ya trabajó Andrei Sakharov en 1967 y este era uno de los criterios que propuso para explicar la asimetría entre materia y antimateria, pero no fue el único que propuso.

Desde los años sesenta se han venido observando violaciones de la simetría CP. En 1957 Tsung-Dao Lee y Chen Ning Yang sugirieron que la interacción nuclear débil podría violar la paridad y los experimentos de Chien-Shiung Wu lo confirmaron más tarde. De algún modo la Naturaleza es «zurda».

En 1964 James Cronin, Val Fitch y colaboradores descubrieron que los kaones violaban tanto la carga como la paridad. Algo similar se encontró en el CERN con los mesones B.

Pero tanto los kaones como los mesones están hechos de quarks y no hay suficiente violación de la simetría en este caso como para explicar la sobreabundancia de materia observada hoy en día. Los quarks se generaron, además, más tarde en el Big Bang. Por tanto, estas reacciones en la que los quarks están implicados tienen una asimetría demasiado pequeña como para explicar la a preponderancia de materia en el Universo.

Simplemente el modelo estándar no tiene suficiente asimetría CP en el sector de los quarks (hadrónico) que explique la asimetría primordial entre materia y antimateria a través de un mecanismo de bariogénesis. Pero eso no implica que sí la haya en el sector de los leptones (eletrones, muones, taus y sus neutrinos).

Desde hace un tiempo salen resultados al respecto de la violación de paridad CP procedente de experimentos con neutrinos realizados con el mayor detector de neutrinos del mundo que se encuentra en Japón. Ahora han publicado nuevos resultados en función de los datos acumulados hasta ahora.

Los neutrinos fueron muy abundantes durante los comienzos del Big Bang y podrían dar cuenta de la asimetría entre materia y antimateria si en las reacciones que están implicados hay suficiente violación de la simetría CP.

Los neutrinos sufren lo que se llama oscilaciones y cambian de un tipo a otro en el camino que media entre el Sol y la Tierra. Así, aunque se producen neutrinos electrónicos en las reacciones nucleares del Sol, pueden mutar a neutrinos muónicos o tau en ese viaje. Hasta ahora esta era de las pocas maneras de estudiar este tipo de partículas tan esquivas y sus oscilaciones.

Desde hace unos años se pueden generar protones con el acelerador J-PARC en Tokai y hacer que impacten contra un blanco de grafito, lo que produce neutrinos. Gracias al uso inteligente de unos campos magnéticos puede genera un haz de neutrinos o un haz de antineutrinos.

Estas partículas viajan bajo tierra (cualquier roca es transparente para los neutrinos) durante casi 300 km hasta que llegan al detector SuperKamiokande en donde son detectados gracias a las 50 000 toneladas de agua ultrapura que contiene. Unos 30  00 tubos fotomultiplicadores (ver foto) observan la luz Cherenkov que alguna vez es producida por reacciones mediadas por neutrinos, por ejemplo cuando, de vez en cuando, un neutrino muónico colisiona contra un núcleo y produce un muón. Se trata del experimento T2K (Tokai to Kamioka).

Lo interesante es que, como se pueden producir tanto neutrinos como antineutrinos, lo que se puede intentar es ver la diferencia entre un caso y otro, si es que la hay. En el caso de que se trate de un antineutrino se pueden producir antimuones o positrones (antielectrones).

Después de diez años de este tipo de experimentos, los científicos implicados han conseguido seguir la pista a 90 neutrinos electrónicos y a 15 antineutrinos electrónicos. Al parecer, los neutrinos muónicos se transforman en neutrinos electrónicos a una mayor tasa que los antineutrinos muónicos lo hacen en anti neutrinos electrónicos. Esto correspondería a una violación de la simetría CP, que sostiene que la la física tiene que ser la misma cambiando partículas por antipartículas e invirtiendo los espines.

Pero los datos de los que se disponen ahora mismo no son suficientes como para proclamar un descubrimiento, pues apoyan esta idea con sólo 3 sigmas de significación estadística (un 99,7% de confianza), cuando hacen falta 5 sigmas (99,99994%) para proclamar un descubrimiento en este campo.

Tampoco se sabe aún si esta violación será suficiente para explicar por completo la asimetría primordial entre materia y antimateria. Es más, aunque los resultados de T2K no nos permiten calcular con precisión cuánta asimetría CP se da en los neutrinos, parece que será insuficiente. Ayudaría en este sentido que el neutrino fuera realmente un fermión de tipo Majorana (algo que no se sabe tampoco) en lugar de lo asumido (de tipo Dirac), pues entonces habría tres fuentes de asimetría CP en lugar de solo una. Entonces el problema quedaría solventando.

Si, al final, este resultado se mantiene entonces podría ser la explicación de la abundancia de materia sobre antimateria en el Universo, pues los neutrinos eran unas partículas abundantes durante el Big Bang. Pero con sólo 3 sigmas de significación no se pueden echar las campanas al vuelo. Un experimento similar que dispara neutrinos desde el Fermilab al detector de Ash River en Minnesota (a 810 km de distancia) viene recopilando datos desde 2014 y, de momento, no parece que demuestren una violación CP.

En todo caso, este nuevo resultado nos dice, eso sí, que merece la mena seguir invirtiendo en este asunto. Quizás se despeje un poco el panorama cuando desde el Fermilab se disparen neutrinos al detector de Lead en South Dakota a 1300 km de distancia. Este detector está situado a 1,6 km de profundidad y contiene 40 000 toneladas de argón líquido. También se espera construir el HiperKamiokande en Japón, que entraría en operación después de 2027 y que usaría 500 000 toneladas en cada uno de los dos detectores. También están planeados el experimento DUNE en EEUU para 2025 y JUNO en China en 2022. Gracias a estos nuevos detectores podremos, además, conocer el valor del ángulo de asimetría CP asociado a la oscilación de los neutrinos, lo que allanará finalmente la resolución de este misterio y de la naturaleza de la física de los neutrinos.

Así que en esta década debería quedar resuelta, por fin, la naturaleza del neutrino y, por tanto, el origen de la asimetría primordial. O no, en ciencia nunca se sabe.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Copia en ArXiv.
Foto: Kamioka Observatory, ICRR, Univ. Tokyo.