Nueva evidencia de que la materia y la antimateria se puede comportar de forma diferente

Sorprendente hallazgo de neutrinos podría obligar a los físicos a replantear los fundamentos de la física de partículas.

Un gráfico de un evento de neutrino grabado por el experimento MiniBooNE. El anillo de luz, registrada por algunos de los más de 1.000 sensores de luz en el interior del detector, indica la colisión de un neutrino muón con un núcleo atómico.
Gráfico: Fermilab

Los neutrinos, partículas elementales generadas por reacciones nucleares en el Sol, sufren de una crisis de identidad al cruzar el Universo, metamorfoseándose entre tres diferentes “sabores”. Sus contrapartes de antimateria (que son idénticas en masa, pero opuestas en carga y spin) hacen lo mismo.

Un equipo de físicos, entre ellos algunos del Instituto Tecnológico de Massachussets(MIT), ha encontrado sorprendentes diferencias entre el comportamiento de conmutación de sabores de los neutrinos y antineutrinos. Si se confirma, el descubrimiento podría ayudar a explicar por qué la materia, y no la antimateria, domina nuestro Universo.

“La gente está muy emocionada por esto, porque sugiere que hay diferencias entre los neutrinos y antineutrinos”, dice Georgia Karagiorgi, un estudiante graduado del MIT y uno de los líderes de los análisis de datos experimentales producidos por el experimento Booster Neutrino (MiniBooNE) en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (Fermilab).

El nuevo resultado, anunciado en junio y presentado a la revista Physical Review Letters, parece ser una de las primeras violaciones de simetría CP observadas: la teoría sostiene que la materia y la antimateria deberían comportarse de la misma manera. La violación de la simetría CP se ha visto antes en los quarks, otro tipo de partículas elementales que componen los protones y los neutrones, pero nunca en neutrinos o electrones.

El descubrimiento también podría obligar a los físicos a revisar su modelo estándar, que cataloga todas las partículas conocidas que forman la materia. El modelo postula ahora sólo tres sabores de neutrinos, pero un cuarto (o un quinto o un sexto) pueden ser necesarios para explicar los nuevos resultados.

“Si se prueba que esto es correcto, tendría implicaciones importantes para la física de partículas”, dice John Learned, profesor de física en la Universidad de Hawai, que no forma parte del equipo de MiniBooNE.

Hasta ahora, los investigadores disponen de datos suficientes para presentar sus resultados con un nivel de confianza por debajo del 99,7 por ciento (también llamado 3 sigma), que no es lo suficientemente alto como para reclamar un nuevo descubrimiento. Para llegar a ese nivel, se requiere un nivel de confianza de 5 sigma (99,99994 por ciento). “La gente va a exigir un resultado razonablemente limpio de 5 sigma”, dice Learned.

Oscilaciones inesperadas

Desde la década de 1960, los físicos han estado reuniendo pruebas que los neutrinos pueden cambiar, u oscilar entre tres diferentes sabores – muón, electrón y tau, cada uno de los cuales tiene una masa diferente. Sin embargo, aún no han sido capaces de descartar la posibilidad que puedan existir más tipos de neutrinos.

En un esfuerzo por ayudar a concretar el número de neutrinos, los físicos MiniBooNE enviaron haces de neutrinos o antineutrinos por un túnel de 500 metros, al final de los cuales se encuentra un tanque de 1 millón de litros de aceite mineral. Cuando los neutrinos o antineutrinos chocan con un átomo de carbono en el aceite mineral, los rastros de la energía permiten a los físicos identificar el sabor de los neutrinos que participaron en la colisión. Los neutrinos, que no tienen carga, rara vez interactúan con otras materias, por lo que tales colisiones son raras.

MiniBooNE se creó en 2002 para confirmar o refutar una conclusión polémica de un experimento en el Detector de Neutrinos Líquido Centellador (LSND) del Laboratorio Nacional de Los Álamos. En 1990, el LSND informó que un número de antineutrinos mayor al esperado parecía estar oscilando sobre distancias relativamente cortas, lo que sugería la existencia de un cuarto tipo de neutrino, conocido como neutrino “estéril”.

En 2007, los investigadores de MiniBooNE anunciaron que sus experimentos con neutrinos no producen oscilaciones similares a las observadas en el LSND. En ese momento, ellos suponían que eso mismo sería válido para los antineutrinos. “En 2007, le habría dicho que se podían descartar los resultados de LSND”, dice la profesora de física del MIT, Janet Conrad, miembro de la colaboración MiniBooNE y autora del nuevo artículo.

MiniBooNE después cambió al modo antineutrino y recolectó datos durante los tres años siguientes. El equipo de investigación no observó todos  los datos hasta que, a principios de este año, se sorprendieron al encontrar más oscilaciones de lo que se esperaría de sólo tres sabores de neutrinos: el mismo resultado que el del LSND.

Ya, los físicos teóricos están publicando artículos online con las teorías para dar cuenta de los nuevos resultados. Sin embargo, “no hay explicación clara e inmediata”, dice Karsten Heeger, física de neutrinos de la Universidad de Wisconsin. “Para concretarlo necesitamos más datos de MiniBooNE y entonces tendremos que probarlo experimentalmente de una manera diferente”.

El equipo MiniBooNE planea reunir datos de antineutrinos durante otros 18 meses. Conrad también espera lanzar un nuevo experimento que utiliza un ciclotrón, un tipo de acelerador de partículas en el cual las partículas viajan en círculo en lugar de una línea recta, para ayudar a confirmar o refutar los resultados MiniBooNE.

Más información en:

http://web.mit.edu/