Observant el fenomen conegut com a oscil·lacions de neutrins, la ciència busca resposta a la qüestió de per què vivim en un univers de matèria i no d’antimatèria, la seua rèplica idèntica. Aquest procés es veu afectat per la mateixa Terra, feta de matèria, tot creant un efecte enganyós (fake effect) que es considerava inseparable de l’observació genuïna de les diferències entre matèria i antimatèria. Els investigadors de l’IFIC –centre mixt de la Universitat de València i el CSIC, al Parc Científic de la institució acadèmica– proposen una manera de desembullar o separar tots dos efectes, amb aplicació en futurs experiments com ara el DUNE, als Estats Units, i el T2HK, al Japó.

Els neutrins són unes partícules elementals especials: tenen molt poca massa i poques vegades interactuen amb la resta de matèria coneguda. Abunden en una radiació encara no detectada produïda en l’època primigènia de l’Univers, i es creu que guarden la clau de l’asimetria matèria-antimatèria, l’explicació a per què la matèria es va imposar a l’antimatèria per a formar tot el que veiem al cosmos. Per a estudiar aquesta qüestió, una de les més importants de la física, es compara el comportament de neutrins i la seua rèplica d’antimatèria, els antineutrins, produïts en acceleradors de partícules i detectats a centenars de quilòmetres del seu origen.

Durant aquest viatge els neutrins oscil·len, es transformen entre els tres tipus que se’n coneixen. Aquest fenomen, conegut com a oscil·lacions dels neutrins el descobriment del qual va suposar el Nobel de Física del 2015, es produeix a l’interior de la Terra, ja que els neutrins poden travessar-la en interactuar molt poc amb la matèria que la forma. “Això crea un efecte enganyós embullat amb la recerca de l’efecte genuí propi de la diferència entre neutrins i antineutrins com si es propagaren en el buit”, explica José Bernabéu Alberola, professor emèrit de la Universitat de València i un dels autors del treball junt amb Alejandro Segarra Tamarit, estudiant de doctorat al Departament de Física Teòrica de la Universitat de València i a l’IFIC.

“Els dos efectes, el genuí i l’enganyós, es manifesten de la mateixa manera entre neutrins i antineutrins, així que sembla impossible desembullar-los. Però es poden separar si es comporten de manera diferent sota altres propietats”, argumenta Bernabéu. Tots dos publiquen en Physical Review Letters un teorema de desembullament dels dos efectes, que posseeixen propietats diferents sota altres simetries fonamentals de la física com ara la Inversió Temporal (T) i la combinada CPT (Càrrega, Paritat i Inversió Temporal), estudiades anteriorment per Bernabéu en altres sistemes físics. Això permet diferenciar l’efecte genuí de les diferències entre neutrins i antineutrins de l’efecte enganyós, ja que aquest últim presenta una ruptura de la simetria CPT que no apareix en el genuí.

La primera conseqüència del teorema de Bernabéu i Segarra és que les components que identifiquen els dos efectes depenen de manera diferent de la distància que recorren els neutrins. No obstant açò, els experiments que mesuren les seues oscil·lacions no poden situar diversos detectors al llarg del seu viatge per la Terra, sinó que construeixen un únic detector a una distància fixa que oscil·la entre els tres-cents quilòmetres de l’experiment T2HK i els més de mil del DUNE. El que sí que poden mesurar aquests detectors és l’energia de l’oscil·lació, açò és, l’energia amb la qual arriben els neutrins. Així, en aquest article els investigadors de l’IFIC exploren l’energia esperada per a cadascuna de les components, la genuïna i l’enganyosa, i troben que, de fet, és molt diferent, la qual cosa proporcionaria un senyal experimental per a separar-les.

Aquest últim resultat ha motivat un estudi detallat que els mateixos autors publiquen en Journal of High Energy Physics, on analitzen aquesta dependència energètica i descobreixen l’origen del seu diferent comportament per a la component genuïna i l’enganyosa. Els físics valencians troben una “energia màgica” en la qual coincideixen tres propietats: el segon màxim on es produeixen les oscil·lacions de neutrins, que ofereix una quantitat apreciable d’esdeveniments per a estudiar, anul·la la component enganyosa i proporciona un màxim d’efecte genuí per a obtindre una evidència directa de la ruptura de la simetria entre matèria i antimatèria.

En els mil tres-cents quilòmetres que separen el Laboratori Fermi, prop de Chicago, i el detector en construcció a Dakota del Sud del DUNE, aquesta energia màgica és 0,91 GeV. “Aquesta energia màgica és accessible i reconstruïble en l’experiment fins i tot amb una precisió modesta en la determinació del seu valor amb una incertesa de 0,15 GeV”, afirmen els investigadors. D’altra banda, a energies superiors a aquest valor màgic domina la component enganyosa, i el signe de la diferència observada entre neutrins i antineutrins ofereix la solució a un altre problema encara obert: l’ordenació dels nivells de menor a major massa dels tres tipus de neutrins. Amb aquests resultats és possible ara realitzar una simulació rigorosa de l’experiment i adaptar el seu disseny per a observar si hi ha una diferència fonamental entre el comportament de neutrins i d’antineutrins, on treballen els investigadors junt amb el grup de l’Institut de Física Corpuscular que participa en el DUNE.

Fig. 1

Fig. 2

Referències:
“Disentangling genuine from matter-induced CP violation in neutrino oscillations”, José Bernabéu, Alejandro Segarra, Physical Review Letters. [arXiv:1806.07694]

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.211802

“Signatures of the genuine and matter-induced components of the CP violation asymmetry in neutrino oscillations”, José Bernabéu, Alejandro Segarra. J. High Energ. Phys. (2018) 2018: 63.

https://doi.org/10.1007/jhep11(2018)063 [arXiv:1807.11879]

Imatges:
Figura 1. Esquema de la propagació dels neutrins de l’experiment DUNE, des de la font de producció a Fermilab (Chicago) fins al detector subterrani a Dakota del Sud. Crèdits: DUNE Collaboration.

Figura 2. Gràfica que mostra el diferent comportament de les dues components de l’asimetria entre neutrins i antineutrins, l’enganyosa (en verd) i la genuïna (en blau), al voltant de l’energia màgica. Crèdits: Bernabéu, J. & Segarra, A./PRL.