Los investigadores de la Universidad de Indiana han ayudado a lograr un avance significativo en nuestra comprensión del universo a través de una asociación entre dos experimentos internacionales líderes con neutrinos. Los neutrinos son partículas extremadamente pequeñas, casi sin masa, que pasan constantemente por el espacio, los planetas e incluso nuestros cuerpos, pero que rara vez interactúan con nada. Resultados publicados en la revista. la naturaleza Acercar a los científicos a responder una pregunta profunda: ¿Por qué el universo contiene materia como estrellas, planetas y vida en lugar de estar vacío?
El avance surge de un análisis conjunto sin precedentes de datos del ensayo NOvA en EE.UU. y T2K en Japón. Estos dos proyectos de neutrinos de larga distancia son los más sofisticados de su tipo. Combinando sus hallazgos, los investigadores pueden estudiar mejor los neutrinos y sus contrapartes de antimateria, proporcionando información sobre por qué el universo no se autodestruyó inmediatamente después del Big Bang.
En ambos experimentos, los científicos utilizan aceleradores de partículas para crear haces de neutrinos y enviarlos a través de grandes distancias subterráneas hasta grandes detectores. Son extremadamente difíciles de identificar. De las innumerables partículas producidas, sólo una pequeña fracción deja una señal mensurable. Luego se utilizan detectores avanzados y un potente software para reconstruir estas raras interacciones y estudiar cómo cambian los neutrinos a medida que viajan.
La Universidad de Indiana ha desempeñado un papel clave en este trabajo durante décadas. Los científicos de IU han contribuido a la construcción de sistemas detectores, interpretando datos y asesorando a jóvenes investigadores. Mark Messier, profesor distinguido y presidente del Departamento de Física de la Facultad de Artes y Ciencias de IU Bloomington, ha desempeñado un papel de liderazgo en el proyecto desde 2006. Otros investigadores de la IU incluyen al físico Jon Urheim y James Musser (emérito), el profesor de astronomía Stuart Mufson y Carty Karmas (Uni) del College of Eu. en UI.
Neutrinos y el misterio de la materia y la antimateria
Los neutrinos se encuentran entre las partículas más comunes del cosmos. No llevan carga eléctrica y casi no tienen masa, lo que los hace increíblemente difíciles de detectar. Esa misma propiedad, sin embargo, los convierte en herramientas invaluables para explorar las leyes más profundas de la física.
Uno de los mayores enigmas de la cosmología es por qué el universo está dominado por la materia. El Big Bang debería haber creado cantidades iguales de materia y antimateria. Cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan mutuamente en estallidos de energía. Si hubiera cantidades exactamente iguales de ambos en el universo primitivo, todo habría desaparecido. En cambio, un ligero desequilibrio favorece la materia, permitiendo que se formen galaxias, estrellas, planetas y vida.
Los científicos creen que los neutrinos pueden ayudar a explicar ese desequilibrio. Los neutrinos existen en tres variedades o “sabores” conocidos como electrones, muones y tau. A medida que se mueven por el espacio, pueden cambiar de un sabor a otro en un proceso llamado oscilación. Si los neutrinos y los antineutrinos oscilan de manera diferente, esa diferencia puede indicar por qué en última instancia domina la materia.
NOvA y T2K unen fuerzas
El nuevo estudio de Nature destaca porque combina datos de dos importantes observatorios de neutrinos. NOvA (experimento de apariencia fuera del eje NuMI) envía un haz de neutrinos a un detector de 14.000 toneladas en Ash River, Minnesota, a 810 km del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi, cerca de Chicago. Mientras tanto, el proyecto T2K de Japón disparó un rayo desde el acelerador J-PARC en Tokai al enorme detector Super-Kamiokande, a 295 kilómetros de distancia, bajo el monte Ikenoyama.
Al analizar sus resultados juntos, los investigadores mejoraron su capacidad para medir cómo se comportan los neutrinos. Un comunicado de prensa de la naturaleza“La combinación de los análisis aprovecha las sensibilidades complementarias de las dos pruebas y demuestra el valor de la colaboración”. La gran distancia de NOvA a través de la Tierra y el haz más corto pero más intenso de T2K proporcionan energía complementaria, lo que permite a los científicos comparar y refinar sus mediciones con una precisión excepcional.
La combinación de conjuntos de datos permite al equipo determinar mejor los parámetros que gobiernan las oscilaciones de neutrinos, particularmente en relación con las diferencias entre neutrinos y antineutrinos. Los resultados se centran en la simetría CP (simetría de paridad de carga), el principio de que la materia y la antimateria deben seguir leyes físicas idénticas, comportándose como imágenes especulares entre sí.
Sin embargo, el universo observable está formado por mucha materia y queda muy poca antimateria del Big Bang. Los resultados combinados sugieren que puede haber diferencias en la forma en que oscilan los neutrinos y antineutrinos, lo que indica una posible violación de la simetría CP. En pocas palabras, los neutrinos no pueden comportarse como sus homólogos de antimateria. Esta sutil diferencia podría ser una pista importante de por qué el objeto sobrevivió.
“Hemos avanzado en esta pregunta realmente importante y aparentemente compleja: ¿por qué hay algo en lugar de nada?” Dijo el profesor Messier. “Y sentamos las bases para futuros programas de investigación destinados a utilizar neutrinos para abordar otras cuestiones”.
Tecnología, formación y colaboración global
Los experimentos de física de partículas a gran escala suelen ofrecer beneficios que van más allá de la ciencia básica. Las tecnologías avanzadas para detectar neutrinos, incluida la electrónica de alta velocidad y los sistemas avanzados de análisis de datos, suelen encontrar aplicaciones prácticas en la industria. El esfuerzo de investigación colaborativa cuenta con el apoyo de fondos del Departamento de Energía de EE. UU.
“Ha habido innovaciones tecnológicas transformadoras en todos los sectores de la sociedad que provienen de la física de altas energías”, señaló Messier. “Además, la próxima generación de científicos se sumergen en la ciencia de datos, el aprendizaje automático, la inteligencia artificial y la electrónica, y luego ingresan a la industria con las profundas habilidades que han adquirido al intentar responder estas difíciles preguntas”.
La colaboración NOvA y T2K involucra a cientos de científicos de más de una docena de países de Estados Unidos, Europa y Japón. Su análisis compartido demuestra el poder científico de la colaboración internacional.
Doctorado en UI. Los estudiantes que actualmente contribuyen a la investigación colaborativa incluyen a Reed Bowles, Alex Chang, Hani Chen, Erin Ewart, Hannah Lemoine y Maria Manrique-Plata. Desde que NOvA comenzó en 2014, Messier y sus colegas también han asesorado a muchos estudiantes de pregrado y posgrado de IU que trabajan en el experimento.
La asociación proporciona una vista previa de cómo podrían funcionar futuros proyectos de física de partículas grandes. Para la Universidad de Indiana y sus colaboradores, los hallazgos abren la puerta a investigaciones más específicas que se basen en este trabajo.
“Como físico, encuentro fascinante que una gran pregunta, como por qué el universo tiene materia en lugar de antimateria, pueda descomponerse en preguntas más pequeñas, paso a paso”, dijo Messier. “En lugar de sorprendernos por su enormidad, podemos avanzar hacia respuestas sobre por qué existimos realmente en el universo”.
