Un investigador de la Universidad Estatal de Michigan ha ayudado a liderar un esfuerzo innovador que acerca a los científicos a cómo se originó el universo.
Por primera vez, dos de los experimentos de neutrinos más grandes del mundo (T2K en Japón y NOvA en Estados Unidos) han combinado sus datos para lograr una precisión sin precedentes en el estudio de neutrinos, las partículas casi invisibles que llenan el cosmos pero que rara vez interactúan con nada.
Su análisis conjunto, publicado recientemente la naturalezaProporciona la medición más precisa de cómo los neutrinos cambian de un tipo a otro a medida que viajan por el espacio. Este hito allana el camino para futuras investigaciones que podrían profundizar nuestra comprensión de la evolución del universo, o incluso desafiar las teorías científicas actuales.
Kendall Mahon, profesor de física y astronomía en la Universidad Estatal de Michigan y coportavoz de T2K, ayudó a coordinar la colaboración. Combinando los puntos fuertes de ambos experimentos, los equipos lograron resultados que ninguno de los dos podría haber alcanzado por sí solo.
“Fue una gran victoria para nuestro campo”, dijo Mahon. “Esto demuestra que podemos hacer estos experimentos, podemos ver los neutrinos con más detalle y podemos tener éxito trabajando juntos”.
¿Por qué la materia existe en todo momento?
Según los físicos, el universo primitivo debería haber contenido cantidades iguales de materia y antimateria. Si ese fuera el caso, los dos se destruirían por completo. Sin embargo, el asunto de alguna manera persiste, y no tenemos una razón clara para ello.
Muchos investigadores creen que la respuesta puede estar en el extraño comportamiento de los neutrinos, partículas diminutas que pasan constantemente a través de nosotros pero que rara vez interactúan. Comprender un proceso llamado oscilación de neutrinos, en el que estas partículas cambian de “sabor” a medida que se mueven, puede ayudar a explicar por qué la materia ha vencido a la antimateria.
“No se comprenden bien los neutrinos”, dijo Joseph Walsh, asociado postdoctoral de MSU, que trabajó en el proyecto. “Su masa muy pequeña significa que no interactúan muy a menudo. Cientos de billones de neutrinos del Sol pasan a través de nuestro cuerpo cada segundo, pero casi todos lo atravesarán directamente. Necesitamos crear fuentes intensas o utilizar detectores muy grandes para darles suficientes oportunidades para verlos y estudiarlos”.
Cómo funciona la prueba
Tanto T2K como NOvA se conocen como pruebas de referencia larga. Cada uno envía un haz enfocado de neutrinos hacia dos detectores, uno cerca de la fuente y el otro a cientos de kilómetros de distancia. Al comparar los resultados de ambos detectores, los científicos pueden rastrear cómo cambia el neutrino a lo largo de su trayectoria.
Debido a que los experimentos difieren en diseño, potencia y distancia, la combinación de sus datos brinda a los investigadores una imagen más completa.
“Al realizar un análisis conjunto se pueden obtener mediciones más precisas que las pruebas individuales”, afirmó Lyudmila Kolupaeva, asociada de NOvA. “Por regla general, los experimentos de física de altas energías tienen diseños diferentes, aunque tengan el mismo objetivo científico. El análisis conjunto nos permite aprovechar las propiedades complementarias de estos diseños”.
El rompecabezas de la masa de neutrinos
Un foco importante del estudio es algo llamado “ordenamiento de masa de neutrinos”, que pregunta qué tipo de neutrino es el más ligero. No es tan sencillo como pesar partículas en una báscula. Los neutrinos existen en tres estados de masa y cada tipo de neutrino es en realidad una mezcla de esos estados.
Los científicos están tratando de determinar si la distribución de masa sigue un patrón “normal” (dos ligeros y uno pesado) o uno “invertido” (dos pesados y uno ligero). En el caso normal, es más probable que los neutrinos muónicos sean neutrinos electrónicos, mientras que es menos probable que sus compañeros de antimateria lo sean. Lo contrario ocurre en un patrón invertido.
Un desequilibrio entre los neutrinos y sus contrapartes de antimateria puede significar que estas partículas violan un principio conocido como simetría de paridad de carga (CP), lo que significa que no se comportan exactamente igual que sus opuestos especulares. Estas violaciones pueden explicar por qué la materia domina el universo.
Lo que muestran los resultados
Los resultados combinados de NOvA y T2K aún no indican de manera concluyente la secuencia de masas. Si estudios futuros confirman la secuencia normal, los científicos necesitarán más datos para aclarar si la simetría CP está rota. Pero si la secuencia invertida resulta correcta, este estudio sugiere que los neutrinos pueden violar la simetría CP, proporcionando una fuerte pista de por qué existe la materia.
Si los neutrinos no violaran la simetría CP, los físicos perderían una poderosa explicación de la existencia de la materia.
Aunque estos resultados no resuelven directamente el misterio de los neutrinos, amplían lo que los científicos saben sobre estas elusivas partículas y demuestran el poder de la colaboración internacional en física.
La colaboración NOvA incluye a más de 250 científicos e ingenieros de 49 instituciones en ocho países. El equipo de T2K involucra a más de 560 miembros de 75 instituciones en 15 países. Los dos equipos comenzaron a trabajar juntos en este análisis en 2019, combinando ocho años de datos de NOvA con una década de resultados de T2K. Ambas pruebas continúan recopilando nuevos datos para futuras actualizaciones.
“Estos resultados son el resultado de la colaboración y la comprensión mutua de dos colaboraciones únicas, en las que participan muchos expertos en física de neutrinos, tecnología de detección y técnicas de análisis, que trabajan en entornos muy diferentes utilizando diferentes métodos y herramientas”, dijo el asociado de T2K, Thomas Nosek.
