El nuevo resultado del experimento japonés T2K sobre los neutrinos

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El experimento japonés T2K (Tokai to Kamioka) estudia la oscilación de neutrinos muónicos en electrónicos en modo aparición, usando un haz de neutrinos generado en el laboratorio J-PARC en Tokai que es dirigido hacia el detector Super-Kamiokande situado a 295 km de distancia. T2K ha confirmado a 7,5 sigmas que el parámetro θ13 tiene un valor distinto de cero (θ13>0). Recordarás que en 2012 fue noticia que los experimentos Daya Bay, RENO y Double Chooz confirmaron a más de 5 σ que θ13>0, pero lo hicieron en modo desaparición con la oscilación de antineutrinos electrónicos en antineutrinos muónicos. La novedad es la observación en modo aparición; ya había indicios indirectos en 1999, pero las primeras señales fueron obtenidas en 2011 por MINOS que obtuvo indicios a 1,7 σ y por el propio T2K que los obtuvo a 2,5 σ, resultado que alcanzó 3,1 σ  en 2012 (pero aún lejos de un descubrimiento, que requiere superar las 5 σ). Ahora T2K logra superar las 5 σ y puede proclamar por derecho propio un descubrimiento (aunque de carácter menor, ya que quien pasará a los libros de historia como el primero en demostrar que θ13>0 será el experimento chino Daya Bay). Más información en Jorge Díaz, “Experimento T2K descubre nueva oscilación de neutrinos,” Conexión Causal, julio 19, 2013. Nos lo ha contado Atsuko K. Ichikawa (Univ. Kyoto, Japón), “Neutrino mixing: Results from accelerator experiments,” Slides, EPS-HEP’13, 23 Julio 2013.

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El tercer parámetro de los cuatro de la teoría de la oscilación de los neutrinos medido con 5,2 sigmas

Un Premio Nobel a un resultado científico no significa que éste sea real; el Nobel de Física de 2002 fue concedido al fenómeno de la oscilación de los neutrinos y cómo ésta explica el déficit de neutrinos solares, sin embargo, algunos físicos dudaban de que este fenómeno fuera real y muchos de que la teoría actual lo explique de forma correcta; a partir de hoy ya no podrán dudar más. Las dudas más serias se basaban en que cierto parámetro llamado θ13 no había sido medido con precisión y todas las medidas indicaban que su valor era muy pequeño; si su valor era exactamente cero, entonces el fenómeno de la oscilación de los neutrinos no sería aplicable a los antineutrinos, como predice la teoría y verificaron algunos experimentos con reactores nucleares, y surgirían serias dudas sobre la interpretación teórica de los resultados experimentales actuales (aunque hay algunos modelos teóricos exóticos para la oscilación que pueden acomodar este caso, tanto exotismo irrita a muchos físicos que buscan la simplicidad como guía). Hoy, un experimento chino llamado Daya Bay ha publicado que sin² (2θ13) = 0,092 ± 0,016 (estad.) ± 0,005 (sist.) con una certeza de 5,2 sigmas, lo que significa para muchos físicos que esta medida está fuera de toda duda; un valor de θ13 = 0,15 ± 0,2 (un valor enorme comparado con lo que se pensaba hace solo dos años). Los físicos que no creían en la validez de la teoría actual sobre el fenómeno de la oscilación de los neutrinos ya no tienen argumentos firmes para sus dudas. El Comité Nobel de Física ya puede estar tranquilo, su decisión en 2002 fue acertada. Los físicos interesados en los detalles técnicos disfrutarán del artículo de F.P. An et al. (The Daya Bay Collaboration), “Observation of electron-antineutrino disappearance at Daya Bay,” PDF submitted to PRL.

Hoy la blogosfera y Twitter hierven con esta gran noticia. Más info en español en “Un experimento en China mide con precisión un parámetro que rige la oscilación de los neutrinos,” CPAN Ingenio, 8 marzo 2012; Kanijo, “Físicos de China logran una medida clave en los neutrinos,” Ciencia Kanija, 8 marzo 2012 [que traduce a Adrian Cho en Science NOW]; Jorge Díaz, “Experimento descubre oscilación de antineutrinos provenientes de reactores nucleares,” Conexión causal, marzo 8, 2012. En inglés hay tantas fuentes que omite listar ninguna más (búsqueda en Google).

Para mí, que soy un poco torpe, esta noticia, que θ13>0 y que la oscilación de los antineutrinos es un fenómeno real, no me ha pillado por sorpresa, todo lo contrario, ya estaba anunciada el año pasado (“en junio de 2011 por el experimento japonés T2K,” más tarde por MINOS y en noviembre por Double Chooz), aunque podía ser una fluctuación estadística (“la confianza estadística de T2K en junio era de solo 2,5 sigmas”). Más aún, hace un par de días me hice eco en este blog de un experimento parecido a Daya Bay, pero radicado en Francia, llamado Double Chooz, que publicó en Moriond EW 2012 que había medido sin² (2θ13) = 0,086 ± 0,041 (estad.) ± 0,030(sist.) al 95% C.L. (en mi opinión esto ya dejaba pocas dudas sobre θ13>0). La noticia sobre Double Chooz no hizo hervir la blogosfera. ¿Por qué no? Ni idea, quizás no tenía las palabras mágicas: “abracadabra” (perdón, quiero decir “5 sigmas”). Esto me hace preguntarme, si la noticia de OPERA en septiembre de 2011 sobre los neutrinos superlumínicos no tuviera las palabras mágicas “más de 5 sigmas” (y las perdió en octubre cuando se recalcularon los errores sistemáticos), ¿habría provocado el revuelo mediático que provocó? Algunos de mis lectores se preguntaban, ¿por qué no me enteré del resultado de MINOS en 2007? Quizás porque faltaba la palabra “abracadabra.”

Volviendo al tema de los Nobel, antes de continuar con los neutrinos, me gustaría recordar a los desmemoriados, que no son pocos, que el Premio Nobel de Física de 1979 fue concedido a la teoría de la unificación electrodébil de Weinberg y Salam, que mejoraba las ideas de Glashow incorporando la ruptura de la simetría electrodébil y la existencia del bosón de Higgs; se premió con el Nobel además de la predicción de la existencia del Higgs, la predicción de la existencia del bosón Z y de las corrientes débiles neutras; en 1979 había evidencia indirecta de la existencia de estas últimas, pero no se descubrió el bosón Z hasta 1983; esta prueba recibió el Premio Nobel de Física en 1984 para tranquilizar al Comité Nobel por su imprudencia. Pero la tranquilidad definitiva para los miembros del Comité Nobel de Física en 1979 (si es que aún hay alguno que esté vivo) será el descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC este año. Mucha gente olvida que si el bosón de Higgs del modelo estándar no existe, el Premio Nobel de Física de 1979 fue concedido a una teoría errónea. Como pocos dudamos de la teoría electrodébil, gracias a los resultados de precisión obtenidos por el colisionador LEP del CERN (y a que nos la han enseñado en la carrera de Ciencias Físicas como si fuera verdad), pocos dudamos de la existencia del Higgs. En mi opinión, la gente que afirma como si tal cosa que el bosón de Higgs puede que no exista le hace un flaco favor a la divulgación de la física, en general, y del modelo estándar de la física de partículas, en particular.

Retornemos a los neutrinos y el resultado de Daya Bay. La importancia de este resultado (θ13>0) es que podría implicar una fuente nueva de violación de la simetría CP, la responsable de la asimetría entre materia y antimateria ocurrida durante el primer segundo tras la gran explosión (Big Bang). En la parte rosa de la matriz de la figura que abre esta entrada aparece un ángulo δ, asociado al seno de θ13; este ángulo δ cuantifica la violación de la simetría CP en los neutrinos, es decir, la diferencia entre neutrinos y antineutrinos. Experimentos como Daya Bay, Double Chooz, T2K y MINOS tratarán de medir el valor de δ en los próximos meses y quizás a finales de este año se publiquen los primeros resultados. En mi opinión, dicha publicación será mucho más relevante e importante que la que hoy ha hecho hervir la web. Pero quizás entonces pocos nos hagamos eco de dicho resultado.

Lo dicho, si queréis saber más, os recomiendo leer los artículos en español que se referencian más arriba. Ahora mismo tenemos buenas estimaciones de tres de los cuatro parámetros de la matriz PMNS (Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata), los que confiamos en las ideas bellas en física de partículas confiamos en que el cuarto parámetro será determinado experimentalmente en los próximos dos años, lo que confirmará definitivamente que el fenómeno de la oscilación de los neutrinos ha de ser incorporado al modelo estándar como uno de los grandes logros de la física del s. XX. Por supuesto, muchos físicos ansian sorpresas que desvelen el camino hacia las teorías más allá.

PS: Recomendable lectura “Daya Bay, Reactors and Neutrinos,” Neutrino Blog, 8 March, 2012 (la imagen del neutrino mareado por no saber qué tipo de neutrino es está extraída de esta entrada).

El experimento OPERA en Gran Sasso observa en directo la transformación de un neutrino muónico generado en el CERN en un neutrino tauónico

Un neutrino muónico producido en el colisionador SPS del CERN, tras atravesar 732 km. por el interior de la corteza terrestre, se ha transformado en un neutrino tauónico que se ha desintegrado en un tauón (leptón tau), que tras recorrer unos cientos de micrómetros durante unas billonésimas de segundo ha colisionado con un átomo de un detector del experimento OPERA en el laboratorio subterráneo de Gran Sasso, en el norte de Italia, produciendo un bosón W que a su vez se ha desintegrado en tres partículas cargadas que han sido observadas en los escintiladores de dicho experimento. Una señal inequívoca y por primera vez una observación directa de que los neutrinos oscilan (cambian de identidad).  In extremis, justo cuando el experimento ICARUS, el relevo de OPERA, acaba de iniciar la toma de datos, este experimento ha logrado observar lo que ya parecía (casi) imposible. Una gran noticia en la física de partículas de la que se han hecho eco muchos foros, como “Particle Chameleon Caught in the act of Changing,” CERN Press release, 31 May 2010 (noticia traducida en Ciencia Kanija); “The metamorphosis of a neutrino directly observed for the first time,” INFN.it, 31-05-2010; “OPERA catches its first tau neutrino,” Symmetry breaking, May 31, 2010; Tommaso Dorigo, “OPERA Sees Tau Neutrino Appearance!!,” A Quantum Diaries Survivor, May 31st 2010; y Lubos Motl, “CERN sends muon neutrinos, Gran Sasso detected one tau neutrino,” The Reference Frame, May 31, 2010. El vídeo de youtube que abre esta entrada, de CERN Video News, explica la noticia muy bien.

Los neutrinos oscilan (cambian de tipo) porque tienen masa en reposo no nula (Premio Nobel de Física de 2002). Hay tres tipos de neutrinos (electrónico, muónico y tauónico). La evidencia cientifíca de que los neutrinos cambian de tipo conforme se propagan (tanto en el vacío como en un medio material) era indirecta (obtenida o confirmada por primera vez en 1998 por los japoneses de SuperKamiokande): al observar un flujo de neutrinos de cierto tipo se encontraban menos neutrinos de ese tipo de los esperados (luego el resto debía haber cambiado de tipo, la materia ni se crea ni se destruye). La oscilación de los neutrinos ha sido confirmada en muchos experimentos desde entonces. El experimento OPERA, en el Laboratorio de Gran Sasso, norte de Italia, se diseñó para observar “en directo” (hay que recordar que es un proceso que dura unas decenas de billonésimas de segundo)  un neutrino tauónico (en realidad el tauón en el que se ha desintegrado) en un flujo de neutrinos muónicos que ha recibido desde el CERN, a 732 km de distancia. Cada neutrino muónico necesita 2’4 milisegundos para llegar desde SPS hasta uno de los cubos del detector OPERA.

La primera vez en la historia que se observa de forma directa este fenómeno. Muchos dirán que esta noticia es poco relevante, ya que todo el mundo sabe que los neutrinos oscilan. Bueno, en OPERA llevan tres años esperando esta observación directa. Se esperaba que OPERA realizara esta observación en muchísimas ocasiones durante estos tres años. Muchos ya daban por perdida la búsqueda. Pero nunca digas nunca jamás y al final lo han logrado. In extremis. ¡Enhorabuena!

PS: la reconstrucción por ordenador del evento observado (en física de partículas, candidato a neutrino tauónico). La línea celeste es la trayectoria de un leptón tau que se supone que se produjo en la desintegración de un neutrino tau que incidió en uno de los cubos (ladrillos o bricks) de los detectores.