Un estudio de neutrinos viabiliza la explicación sobre el universo material

El parámetro que indica la transformación de un tipo de neutrino en otro está asociado con la rotura de la simetría entre la materia y la antimateria. Una investigación en Francia determinó con precisión su valor

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Un experimento destinado a medir las “oscilaciones de neutrinos” aportó conocimientos cruciales para la comprensión del fenómeno que posibilitó la constitución del universo material. Tal fenómeno, denominado “violación de la simetría de carga-paridad de los leptones”, produjo inmediatamente después del Big Bang, un pequeño excedente de materia con relación a la antimateria. Ese excedente es lo que compone actualmente el universo conocido.

Este experimento, denominado Double-Chooz, aún se encuentra en marcha en Francia, en el marco de una colaboración internacional que cuenta con participación brasileña. El físico italiano radicado en Brasil Pietro Chimenti participó en dicha colaboración con el proyecto intitulado “Análisis bayesiano de θ13 en el experimento Double-Chooz”, con el apoyo de la FAPESP.

“Se concretó una inversión por un monto estimado en 40 millones de euros en el Double-Chooz. Quienes gastan tamaño valor para obtener una medición quieren estar seguros de que la misma se hará muy bien. Para ello es necesario hacer y rehacer los cálculos, empleando métodos distintos, con el objetivo de descartar cualquier posible fuente de error. Mi análisis, utilizando el método bayesiano, confirmó los datos que se habían obtenido mediante técnicas más convencionales. Y eso fue muy bueno”, declaró Chimenti a Agência FAPESP. El científico, quien trabajó en la Universidad Federal del ABC (UFABC), en São Paulo, es actualmente profesor adjunto en la Universidad Estadual de Londrina (UEL), en el estado brasileño de Paraná.

Existen tres tipos o “sabores” (“flavors”) de neutrinos: el neutrino del electrón, el neutrino del muón y el neutrino del tau. La “oscilación de neutrinos” es el nombre genérico que se le asigna a la transformación de un tipo en otro. “Se trata de un fenómeno probabilístico, que ocurre durante la propagación de los neutrinos por el espacio”, informó Chimenti.

El experimento Double-Chooz consiste en la medición del flujo de neutrinos producido en una determinada dirección y en un sentido en la central nuclear de Chooz, situada en el departamento de Ardennes, cerca de la frontera de Francia con Bélgica. Dicho flujo se mide mediante el empleo de dos detectores idénticos ubicados respectivamente a 400 metros y a 1.050 metros del reactor. La diferencia en la cantidad detectada permite calcular la transformación de un tipo de neutrino en otro y el ángulo de mezcla entre los tipos.

La medición precisa de ese ángulo de mezcla, identificado con la sigla θ13 (se lee “zeta uno tres”), fue el objetivo principal del experimento Double-Chooz, no sólo por lo que podía informar acerca de la naturaleza intrínseca de los neutrinos sino también y fundamentalmente por su conexión con la violación de la simetría de carga-paridad en los leptones, que produjo el excedente de materia que constituyó el universo.

“Si θ13 fuese nulo, no sería posible medir en las oscilaciones la asimetría de carga-paridad. Pero Double-Chooz suministró un valor distinto de cero. Y esto permite que experimentos futuros obtengan mediciones de la violación de simetría. Estos experimentos de nueva generación son necesarios pues, aun con θ13 distinto de cero, la asimetría puede ser nula”, argumentó Chimenti. Su confirmación de las mediciones convencionales mediante el método bayesiano fue muy bien recibida por sus pares.

“El análisis bayesiano es un método estadístico que ha sido poco utilizado en la física de altas energías porque demanda una capacidad de cálculo que, hasta hace 20 años, no era común. Pero en la actualidad, computadoras muy potentes, que operan con bajo costo, han permitido que esta técnica pueda utilizarse más menudo. Los resultados que logré son perfectamente compatibles con aquéllos que la colaboración ya había obtenido mediante otras técnicas. Por usar una analogía: nosotros dijimos lo mismo con otras palabras”, explicó el investigador.

Cuando se refiere a “experimentos de nueva generación”, Chimenti hace mención específicamente al megaproyecto internacional Dune (Deep Underground Neutrino Experiment), cuya primera etapa de operación empezará en 2018, y la segunda en 2021. El aparato experimental del Dune consistirá fundamentalmente en dos detectores instalados en el trayecto del más intenso haz de neutrinos producido en la Tierra. El primer detector registrará el flujo cerca de su fuente, en el Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory), en Illinois, Estados Unidos. El segundo detector, de un porte mucho mayor, realizará la detección a 1.300 kilómetros de la fuente y a más de un kilómetro debajo del suelo, en el Sanford Underground Research Laboratory, en Dakota del Sur, EE.UU.

Brasil participa en el Dune con científicos de la Universidad de Campinas, la Universidad Federal del ABC, el Centro Brasileño de Investigaciones Físicas, la Universidad Federal de Goiás, la Universidad Federal de Alfenas en Poços de Caldas y la Universidad Estadual de Feira de Santana. Y dicha participación cuenta con la ayuda de la FAPESP en el marco del proyecto temático intitulado “Desafíos para el Siglo XXI en Física y Astrofísica de Neutrinos”, coordinado por Orlando Luís Goulart Peres, y con el apoyo a jóvenes investigadores en el “Programa de argón líquido de la Unicamp”, conducido por Ettore Segreto.

Propiedades singulares

Después de los fotones, los neutrinos ocupan el segundo lugar como partículas más abundantes del universo. Y por no ser susceptibles a la interacción electromagnética ni tampoco a la interacción nuclear fuerte, son capaces de atravesar la materia común, incluso los cuerpos compactos, sin que su movimiento se vea trabado o desviado. Estas propiedades singulares les asignan un papel único en la física. Hasta finales de la década de 1990, se creía que no tenían masa. Sin embargo, experimentos realizados en los laboratorios Super-Kamiokande, en Japón, y Sudbury Neutrino Observatory (SNO), en Canadá, demostraron que, aunque es muy pequeña, la masa de los neutrinos no es nula. Este descubrimiento motivó que se les concediera el Premio Nobel de Física de 2015 al japonés Takaaki Kajita y al canadiense Arthur McDonald (lea más sobre el tema en portugués, en: agencia.fapesp.br/22019).

En el llamado Modelo Estándar de la Física de Partículas, los neutrinos integran la familia de los leptones. Por cada leptón cargado eléctricamente (el electrón, el muón y el tau), existe un tipo de neutrino correspondiente. Lo que los experimentos del Super-Kamiokande y del SNO hicieron fue comprobar que un tipo de neutrino se transforma en otro. Y esta transformación sólo es posible porque los neutrinos tienen masa.

La demonstración de la masa de la partícula y el Nobel de Kajita y McDonald transformaron el estudio de los neutrinos en uno de los campos más prometedores de la física actual.

Nuestro planeta es atravesado regularmente por billones de neutrinos: neutrinos que fueron generados durante los primeros tiempos del universo, neutrinos provenientes de fuentes extragalácticas, neutrinos generados en el interior de las estrellas de la Vía Láctea, neutrinos originados en el Sol y neutrinos resultantes del choque de rayos cósmicos con la atmósfera terrestre. Además de todos éstos, existen también neutrinos producidos en la propia superficie de la Tierra mediante el proceso nuclear conocido como decaimiento beta, muy frecuente en las centrales nucleares. Éstos son los que se midieron y aún están siéndolo en el marco del experimento Double-Chooz.

El decaimiento o desintegración beta es el proceso mediante el cual un núcleo inestable se transforma en otro al emitir una partícula beta (un electrón o un positrón). En el decaimiento beta menos, un neutrón se transforma en un protón al emitir un electrón y un antineutrino. En el decaimiento beta más, un protón se transforma en un neutrón al emitir un positrón y un neutrino del electrón. Aparte de estos dos tipos de decaimiento, esta transformación puede ocurrir también mediante la captura electrónica. En ésta, un protón se transforma en un neutrón al capturar un electrón y un neutrino del electrón.

“Debido a la gran potencia de la central, este fenómeno es bastante significativo en Chooz. Y el experimento Double-Chooz se estructuró para medir la transformación de neutrinos del electrón en otros neutrinos al alejarse de la fuente que los generó. Este experimento se extenderá un año más todavía. Pero ya ha aportado mediciones sumamente importantes del ángulo de mezcla θ13. Y esto suscita una gran expectativa con relación al estudio de la asimetría entre materia y antimateria. La violación de la simetría de carga-paridad explicaría por qué observamos materia y no antimateria en el universo”, concluyó Chimenti.