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Jueves, 16 junio 2011
Física

Primeros indicios de la transformación de neutrinos muónicos en neutrinos electrónicos

El experimento T2K, una colaboración donde participan más de 500 físicos de 12 países, ha detectado por primera vez la aparición de neutrinos electrónicos a partir de un haz de neutrinos muónicos. Es la primera vez que se observa este fenómeno, conocido como “oscilación”, entre este tipo de neutrinos, lo que supone un importante paso para entender mejor esta partícula elemental.

Además, esta detección abre la puerta al estudio experimental de uno de los principales misterios del Universo: el dominio de la materia frente a la antimateria. En el experimento participan investigadores del Institut de Fìsica d’Altes Energies (IFAE, consorcio Generalitat de Catalunya-Universitat Autònoma de Barcelona) y del Institut de Fìsica Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València).

El experimento T2K fue diseñado para medir uno de los fenómenos físicos que afecta al neutrino, una enigmática partícula sin carga eléctrica y con apenas masa que interactúa débilmente con el resto de la materia. En este proceso, llamado “oscilación de los neutrinos”, los neutrinos de un cierto tipo alteran su naturaleza en vuelo transformándose en neutrinos de otro tipo (hay tres tipos, que corresponden a las familias de partículas fundamentales: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico).

La observación de este fenómeno contribuye a la medida de la masa de los diferentes tipos de neutrinos, un problema aún no resuelto por la ciencia, así como al entendimiento de sus relaciones. Ya se habían detectado fenómenos de oscilación entre otros tipos de neutrinos, pero nunca antes se había medido la aparición de neutrinos electrónicos a partir de neutrinos muónicos.

En la actualidad T2K es posiblemente el experimento de oscilaciones de neutrinos más sensible del mundo. Se compone del detector Super-Kamiokande, un gran tanque de 50.000 toneladas agua ultra pura con forma cilíndrica rodeado de miles de detectores de luz (fotomultiplicadores) apuntando hacia el interior del tanque situado bajo tierra en la localidad de Kamioka (Japón), y de un complejo de aceleradores, Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), donde neutrinos de tipo muón son producidos en grandes cantidades y enviados hacia Super-Kamiokande, a 295 kilómetros de distancia.

La observación de la oscilación de neutrinos muónicos a neutrinos electrónicos es la principal motivación del experimento T2K. El descubrimiento de este modo de oscilación tendría un gran impacto en el futuro de este campo de la física y supondría el primer paso para resolver uno de los principales misterios del universo: el dominio de la materia frente a la antimateria. Por esta razón, científicos de todo el mundo han desarrollado un ambicioso programa experimental dedicado a la observación de este fenómeno.

Como se ha dicho, al experimento T2K contribuyen más de 500 investigadores de 12 nacionalidades. España participa con dos grupos de investigadores del Institut de Fìsica d’Altes Energies de Barcelona (IFAE) en Barcelona y del Institut de Fìsica Corpuscular (IFIC) en Valencia, que han participado en el diseño, construcción y operación del experimento durante los últimos 10 años, con el apoyo del Ministerio de Ciencia e Innovación y del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), proyecto Consolider 2010.

Tras el análisis de los datos recogidos desde el inicio de la toma de datos en enero de 2010 hasta el gran terremoto de Japón, en marzo de 2011 (que obligó a parar el experimento), se han detectado 88 candidatos a neutrinos en Super-Kamiokande, de los cuales 6 han sido identificados como neutrinos de tipo electrón. Cuando los neutrinos electrónicos, fruto de la oscilación, interaccionan con la materia producen electrones (del mismo modo que los neutrinos muónicos producen un tipo de electrón más pesado llamado muón).

Sin embargo, aunque se observen electrones hay otros fenómenos que pueden confundirse con las oscilaciones (ruido de fondo). En T2K se esperan entre uno y dos de estos sucesos de ruido, a comparar con los seis sucesos observados. La probabilidad de que este exceso sea debido a la aparición de neutrinos electrónicos se ha estimado en 99,3%, una probabilidad muy alta, que supone la primera indicación de la existencia de este fenómeno físico.

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Hasta el terremoto del 11 de marzo de 2011, T2K había acumulado tan solo el 2% de los neutrinos esperados durante la vida útil del experimento. J-PARC está siendo reparado, y la reanudación de la toma de datos se prevé para finales de 2011. Con los nuevos datos, los científicos de T2K esperan confirmar esta observación de la aparición de neutrinos electrónicos, y combinar esta medida con la de aparición de antineutrinos electrónicos (la antipartícula del neutrino electrónico), para investigar el fenómeno conocido como violación de CP con leptones (el tipo de partícula elemental al que pertenece el neutrino), que podría ser la clave para entender el origen de la asimetría entre materia y antimateria en el universo.

La aparición de neutrinos electrónicos es el primer paso para la investigación de violación de CP en leptones, pero para alcanzar este objetivo es necesario incrementar la intensidad del haz de neutrinos producido por el acelerador en J-PARC y mejorar la sensibilidad de los detectores. La observación llevada a cabo en T2K supone un paso muy significativo en esta dirección. (Fuente: CPAN)


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