XI Carnaval de la Física: El neutrino y la violación de la simetría CPT

La violación de la simetría CPT es tan improbable que parece imposible. Pero si el neutrino y el antineutrino tienen masas diferentes la simetría CPT se violaría. Solo gracias a los experimentos se puede saber si el neutrino y el antineutrino son la misma partícula (tipo Majorana) o diferentes (tipo Dirac) y, en este último caso, si tienen la misma masa o diferente. La violación de la simetría CPT sería aún más importante que la violación de la simetría P o de la paridad. Hoy la vemos como algo “normal” en la fuerza débil pero en su momento fue tan revolucionaria como el descubrimiento de la antimateria. Hasta el genial Martin Gardner escribió un libro sobre ella, titulado “Izquierda y Derecha en el Cosmos.” El físico I. S. Tsukerman nos resume en un interesante artículo todo lo que sabe sobre la violación de la simetría CPT y la física de los neutrinos (“CPT invariance and neutrino physics,” ArXiv, 24 Jun 2010).

Esta entrada es mi segunda contribución al XI Carnaval de la Física organizado por Germán Fernández, autor del blog El neutrino. Hace ya bastantes años, cuando se descubrió que el neutrino tenía masa, impartí una conferencia divulgativa sobe el descubrimiento y desde entonces algunos amigos me pusieron el “mote cariñoso” de “el neutrino.” Tras la charla la gran pregunta de muchos de ellos era ¿qué es un neutrino? Ellos no sabían qué es un electrón y descubrir que el protón era una partícula elemental “compuesta” les resultó muy chocante. Más chocante fue saber que ni “el neutrino” sabía qué es un neutrino. Sigo sin saberlo. Sigo sin saber qué es una partícula elemental. Por cierto, sobre las propiedades del neutrino hay muchas fuentes, por ejemplo, Carlo Giunti, Alexander Studenikin, “Neutrino electromagnetic properties,” Phys. Atom. Nucl. 72: 2089-2125, 2009 [ArXiv, 18 Dec 2008]

El neutrino es una partícula elemental fascinante, objeto de intensas investigaciones tanto experimentales como teóricas. El neutrino nació en el intento de W. Pauli en 1930 de explicar el espectro continuo de energía en la desintegración nuclear tipo beta, con objeto de salvar la ley de conservación de la energía. Hoy en día, cualquier nueva partícula se descubre gracias a la misma idea. El neutrino es parte fundamental de la teoría de las interacciones débiles de E. Fermi (1934), de la no conservación de la paridad de T.D. Lee y C.N. Yang (1956), del modelo V−A para interacciones débiles locales de R. Feynman y M. Gell-Mann (1958) y, por supuesto, de la teoría electrodébil de Glashow-Weinberg-Salam en el modelo estándar de la física de las partículas elementales. ¿Qué sabemos sobre los neutrinos? Mucho, muchísimo, demasiado para poder resumirlo todo en esta entrada. Pero quizás sea más interesante conocer ¿qué es lo que no sabemos sobre los neutrinos?

En la teoría de Glashow, Weinberg y Salam de los 1960, los neutrinos no tenían masa debido a que la evidencia experimental proponía como límite superior para su masa más de 6 órdenes de magnitud por debajo de la masa del electrón. Un neutrino sin masa era la opción más simple para su teoría. Pero en 1998, el experimento japonés Super-Kamiokande descubrió la primera evidencia de que los neutrinos tienen masa. Dicha evidencia ha sido ratificado por muchos otros experimentos en la última docena de años. Hay tres tipos de neutrinos (pues se conocen tres familias o “sabores” de partículas elementales) llamados electrónico, νe, muónico, νμ, y tauónico, ντ. Si los neutrinos tienen masa no nula pueden cambiar de identidad, pueden cambiar de “sabor” ya que las funciones de onda cuánticas observables de los tres neutrinos, sean me, mμ y mτ, son una mezcla (combinación lineal) de tres funciones de onda con masa no observables, sean m1, m2 y m3. O al revés, ya que la matriz que mezcla los sabores es invertible. La figura de arriba muestra por ejemplo que el estado m1 es una combinación de los tres estados observables (colores rojo, verde y azul). La oscilación de (la identidad de) los neutrinos nos permite calcular la diferencia entre sus masas pero no su valor absoluto. En la actualidad hay dos opciones posibles, mostradas en la figura de arriba. El estado masivo m3 puede tener una masa inferior al estado m1 o superior al estado m2. Solo los experimentos podrán decidir cuál es la opción correcta: si los estados masivos de los neutrinos están ordenados de forma normal o invertida (también habrá que determinar los valores de los coeficientes de la matriz de masas de los neutrinos).

La teoría matemática para el neutrino en el modelo estándar extendido (con neutrinos masivos) permite dos opciones posibles. Como el neutrino es una partícula neutra, podría ser idéntico a su antipartícula (teoría de Majorana) o diferente a ella (teoría de Dirac). La manera más sencilla de distinguir estas dos posibilidades es gracias a la desintegración beta doble sin neutrinos. En la desintegración beta doble un átomo radioactivo se desintegra en un átomo dos unidades de carga menor emitiendo dos electrones. Si el neutrino es una partícula de Dirac es obligatorio que esta desintegración venga acompaña de la emisión de dos antineutrinos (electrónicos). Sin embargo, si el neutrino es una partícula de Majorana y el antineutrino y el neutrino son la misma partícula, podría ocurrir esta desintegración sin emisión de ningún neutrino. Este tipo de desintegración es muy rara y aunque hay varios experimentos en curso estudiando este asunto, todavía no se sabe si el neutrino es igual a su antipartícula.

La simetría CPT es una simetría muy general de casi cualquier teoría cuántica de campos invariante Lorentz (compatible con la relatividad especial) en la que los campos y los conmutadores de los campos son invariantes Lorentz. El teorema suele estar asociado a Pauli, Lüders y Schwinger. La conjugación de carga C corresponde a la invarianza de la teoría cuando se cambian partículas por antipartículas. La paridad P corresponde a la invarianza cuando se reflejan las coordenadas espaciales en un espejo y la invarianza temporal T es cuando se cambia la dirección de la flecha del tiempo. Si una teoría cuántica de campos es invariante CPT entonces automáticamente la masa de las partículas es idéntica a la masa de las antipartículas. Hay que recordar que una teoría que no sea invariante CPT no significa que no sea invariante Lorentz, podría ocurrir que los campos fueran invariantes Lorentz, pero los conmutadores de los campos no lo fueran, es decir, que habría violaciones de la causalidad cuánticas, aunque podría ocurrir que no fueran observables gracias al principio de incertidumbre.

Si el neutrino fuera una partícula de Dirac y la antipartícula del neutrino tuviera una masa diferente (aunque podría ser muy parecida) a del neutrino, la física de los neutrinos violaría la invarianza CPT. Si el neutrino fuera una partícula de Majorana es más complicado (pero posible) incorporar una violación de la simetría CPT (aunque por lo que dice Tsurkerman me parece menos razonable este caso). ¿Qué límites experimentales existen sobre la violación de la simetría CPT en la teoría electrodébil? El límite más restrictivo es la diferencia de masas entre el kaón neutrino K^0 y su antipartícula \overline{K^0} que se estima en 18 órdenes de magnitud (en unidades relativas). Sin embargo, Tsukerman argumenta en su artículo que este dato podría estar mal interpretado, ya que alude a la violación de la simetría CPT par, pero en el caso de violación CPT impar, el límite actual no supera los 4 órdenes de magnitud. Ahí es donde Tsukerman cree que se puede esconder la violación CPT en la física de los neutrinosque podría haber escapado a detección hasta el momento. En el sector leptónico, la diferencia de masas entre el electrón y el positrón se estima en al menos 12 órdenes de magnitud relativos.

Los experimentos que estudian en detalle la oscilación de los neutrinos han sido capaces de poner límites a la posible violación de la simetría CPT en los neutrinos. Por ejemplo, se sabe que las diferencias de masas entre el neutrino y el antineutrino cumplen que |Δm3| < 1’9 × 10–4 eV y que 7’5 × 10–3  < Δ(mν)² < 5’5 × 10–3 eV. Los mejores límites actuales sobre la posible violación de la simetría CPT en el sector de los neutrinos, es decir, la posibilidad de que la masa del neutrino y del antineutrino sean diferentes nos los resume la siguiente figura (extraída del artículo de M.C. Gonzalez-Garcia, Michele Maltoni, “Phenomenology with Massive Neutrinos,” Phys. Rep. 460: 1-129, 2008 [gratis en ArXiv]). En la figura los contornos corresponden a a las regiones permitidas al 90%, 95%, 99% y 3σ C.L. En esta figura se ha supuesto que el orden de los estados de masa de los neutrinos y los antineutrinos es el mismo (u orden normal u orden invertido). Caso de que el orden fuera diferente entre ambos, los límites serían mucho peores. Estas figuras nos indican que nuestro conocimiento experimental actual permite cierta violación de la simetría CPT compatible con todo nuestro conocmiento sobre la física de los neutrinos.

 

El artículo de Tsukerman discute diferentes experimentos que se pueden realizar para verificar o no varios tipos de violación de la simetría CPT en la física de los neutrinos. Un artículo de 62 páginas con 330 referencias que nos recuerda que incluso las simetrías sacrosanto de la física de partículas elementales (como en su momento fue la simetría de paridad) han de ser continuamente verificadas ya que en ellas se podría ocultar física más allá del modelo estándar de gran interés.

Buscaban neutrinos en el Mediterráneo y acabaron encontrando cachalotes

Parece imposible querer oír a los neutrinos de alta energía que atraviesan el océano. Pero ese era el objetivo del proyecto ONDE (Ocean Noise Detection Experiment) del físico de partículas italiano Giorgio Riccobene, del observatorio NEMO (Neutrino Mediterranean Observatory). Los hidrófonos colocados en el fondo marino del Mediterráneo a 28 km. de la costa de Sicilia oyeron secuencias de “clicks.” Riccobene no fue capaz de interpretar los sonidos que escuchó, así que recurrió a un biólogo marino, Giovanni Pavan, quien le indicó que estaba oyendo a cachalotes. No se pensaba que hubiera cachalotes tan cerca de Sicilia. Ahora los dos han solicitado un proyecto de investigación para estudiar la biología de las poblaciones de cachalotes en el Mediterráneo mediante el uso de hidrófonos y software específico para su análisis. Uno quiere conocer la biología de los cachalotes, el otro quiere conocer el ruido de fondo oceánico pues no ceja en su intento de detectar neutrinos. Nos cuenta esta bonita historia Nicola Nosengo “Underwater acoustics: The neutrino and the whale,” Nature 462: 560-561, 3 December 2009.

El proyecto NEMO ha instalado a unos 3,5 km. de profundidad en el mar, un cubo de 2 km. de lado formado por una red de fotodetectores (fotomultiplicadores) para observar la radiación de Cerenkov que se produce cuando un neutrino de alta energía colisiona con una molécula de agua. Los físicos teóricos creen que si el neutrino es muy energético también producirá un sonido audible. El sonido se transmite en el mar mucho mejor que la luz, por lo que Riccobene consideró la posibilidad de utilizar los hidrófonos que se iban a utilizar durante la instalación de los detectores ópticos para oír a los neutrinos.

Para discernir el sonido de los neutrinos de otros sonidos del fondo del mar es necesario conocer muy bien el ruido de fondo (background). Para ello se ha desarrollado software específico de tratamiento de señales que permita lidiar con un nivel de señal/ruido bastante alto. Los primeros estudios han indicado que el nivel (decibelios) de este ruido es mucho mayor que la amplitud de la señal esperada para los neutrinos, con lo que estos últimos son muy difíciles de detectar por este procedimiento. Sin embargo, los hidrófonos mostraron sonidos ocasionales, sucesiones de “clicks,” cuyo origen no parecía fácil de identificar. El biólogo marino Pavan fue consultado y descubrió que se trataba de cachalotes (Physeter macrocephalus). Quizás utilizan estos sonidos como los murciélagos para localizar presas o para estimar la profundidad.

Escuchar cachalotes en las profundidades del mar cerca de Sicilia durante todo el año fue un descubrimiento sorprendente para los biólogos marinos. Nadie esperaba que hubiera tantos en estas aguas. Los hidrófonos del proyecto ONDE, si bien no han logrado nada en la detección de neutrinos, han logrado un descubrimiento importante en la biología marina de los cachalotes en el Mediterráneo. Las grabaciones, 600 horas, finalizaron en noviembre de 2006, cuando los hidrófonos fueron eliminados, al dar por finalizada la instalación de los fotomultiplicadores del proyecto NEMO.

Riccobene y Pavan ahora trabajan juntos en el estudio de la biología marina de los cachalotes tratando de estimar el sexo, el tamaño y los movimientos de los cachalotes a partir de los sonidos de las grabaciones y las posibles reflexiones de dichos sonidos en la superficie del agua. Pavan ha logrado financiación a través del proyecto europeo ESONET (European Seas Observatory Network), que pretende monitorear los fondos marinos del Mediterráneo. El proyecto ONDE se ha reencarnado en el nuevo proyecto LIDO (Listening Into the Deep Ocean) que ha desplegado nuevas redes de hidrófono, no sólo cerca de Sicilia, sino también en el Golfo de Cádiz, cerca del Estrecho de Gibraltar, para estudiar la entrada y salida de cachalotes en el Mediterráneo desde el océano Atlántico.

Queridos lectores, así es la ciencia. Lo que inicialmetne parecía que era un experimento exótico para detectar neutrinos ha acabado siendo una técnica prometedora para el seguimiento y estudio de las poblaciones de cachalotes en el Mediterráneo. ¡Qué otras sorpresas revelarán estos estudios!

Neutrinos o elefantes, el gran dilema de la ciencia india

Dibujo20090923_spherical_elephant_like_neutrino_particleEn 2006 se aprobaron los 160 millones de dólares para la construcción del observatorio de neutrinos indio (INO) en la reserva de la biosfera de Nilgiri, en Singara, a 250 km. de Bangalore, gran refugio de elefantes y tigres. Los ecologistas indios se oponen ahora a su construcción, que debería finalizar en 2012. El proyecto está paralizado. Jairam Ramesh, ministro de medio ambiente indio, visitará Singara para apaciguar los ánimos. Once físicos, entre ellos los premios Nobel Sheldon Glashow y Masatoshi Koshiba, han solicitado al primer ministro indio, Manmohan Singh, que reanude el proyecto: “INO colocará a la India en primera línea de investigación en física de partículas.” ¿Qué pasará el 10 de octubre cuando Ramesh y Singh tomen su decisión final? Nadie lo sabe. Se apena por ello Killugudi Jayaraman, “The elephant and the neutrino. Conservationists challenge physics observatory in Indian wildlife reserve,” News, Nature, Published online 22 September 2009.

La reserva de Nilgiri está formado por más de 5.500 kilómetros cuadrados de selva incluyendo seis áreas protegidas. INO será construido a unos 7 km. de la frontera de uno de estos santuarios. El proyecto consiste en excavar un túnel de 2 km. en el interior de una montaña que finalizará en una cueva de 120 m. de longitud, en la que se instalará un calorímetro de hierro magnetizado para detectar muones (los producidos por la interacción ocasional de neutrinos con los átomos de hierro).

Los ecologistas están en contra del proyecto ya que requiere el transporte de unas 630 mil toneladas de desechos y unas 147 mil toneladas de materiales de construcción, es decir, el tráfico de unos 156 mil camiones a través de 35 km. de selva (atravesando dos reservas habitadas por tigres). Los ecologistas estiman que durante 468 mil horas se perturbará el delicado hábitat de estos animales. Por supuesto, los ingenieros del INO aseguran que molestarán lo mínimo necesario a estos animales.

¿Podría construirse INO en otro lugar de la India? No es fácil. Una prospección geológica del gobierno identificó Singara como el mejor lugar para INO teniendo en cuenta factores sísmicos, de seguridad y accesibilidad. Encontrar un lugar alternativo para un proyecto que ya lleva 3 años de retraso supondrá, como mínimo, retrasos adicionales.

Elefantes o neutrinos, esta es la cuestión a resolver en la India.