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Astronomía, Física

Los neutrinos se miran al espejo

En el Big Bang el espacio se expandió enormemente y una multitud de partículas y antipartículas aparecieron. De todas ellas quedó un resto de partículas. Hoy, gracias a T2K, entendemos mejor cómo pudo ser.

Este verano un experimento de neutrinos ha visto que partículas y antipartículas definitivamente no son unas imágenes especulares de las otras. El experimento T2K (Tokai to Kamioka) ha mostrado indicios de que los neutrinos violan la simetría CP (simetría de carga y paridad). Y eso, junto a lo que sabemos del Big Bang, tiene que ver con que exista toda la materia que hay, incluyendo nosotros mismos.

En el experimento T2K se crea un haz de neutrinos y antineutrinos con el acelerador de protones J-PARC en Tokai, y se dirige al detector Super-Kamiokande a 295 km de distancia, en Kamioka.

Simetrías, neutrinos, partículas, antipartículas… ¿cómo funcionaba todo eso? ¡Demos un repaso rápido!

Componentes de la materia
Toda la materia ordinaria, de la que estamos hechos nosotros, nuestro planeta, el sol y demás, está compuesta de solo cuatro partículas. Divide cualquier trozo de materia: acabas llegando a que está formado por átomos, y éstos a su vez por un núcleo con protones y neutrones, y electrones a su alrededor. Hasta aquí es la parte que casi todos sabemos.

El electrón es una partícula fundamental: no puedes coger un electrón y ver de qué está hecho . Hasta donde sabemos por nuestras teorías y también experimentalmente, el electrón no está hecho de nada más. Pero los protones y neutrones sí, están hechos de dos partículas, que los físicos llaman quark “up” y “down”. Dos quarks up (de carga +2/3 la del protón) y un quark down (carga -1/3) forman un protón. Un up y dos down, un neutrón. Los quarks, a su vez, no están formados por otras partículas: son partículas fundamentales.

Los quarks up y down están relacionados entre sí, tienen masas parecidas y sufren el mismo tipo de interacciones. De no ser por su carga, serían básicamente la misma partícula. El electrón, por otro lado, es muy distinto. Pero para él también existe una partícula con la que forma una familia de modo parecido: el neutrino.

El neutrino, la cuarta de las partículas fundamentales, es como un electrón sin carga eléctrica. Eso hace que no interaccione con otras partículas electromagnéticamente. De hecho, casi no interacciona con nadie de ninguna forma. Una vez se crea un neutrino (por ejemplo cuando un neutrón se desintegra en protón y electrón) es muy difícil que algo lo pare.

Ya hemos refrescado lo de las partículas. ¿Dónde entra lo de las simetrías?

Simetrías en la Naturaleza

El mundo, a nivel microscópico, en principio se porta igual cambiando algunas cosas, por ejemplo, la dirección del tiempo. A nivel de partículas fundamentales, no hay forma de distinguir si estás viendo un vídeo hacia delante o hacia atrás. También, si cambias partículas por antipartículas (partículas idénticas a otras conocidas, pero con cargas opuestas, eléctrica y de otros tipos) y viceversa, las leyes de la física son las mismas.

Este cambio entre partículas y antipartículas se llama conjugación de carga (C). La sorpresa fue monumental cuando en los años 50 descubrieron que la Naturaleza no se comporta de forma simétrica, que “la simetría C está rota”.

En cierto modo, los físicos se recuperaron del susto poco después. Se dieron cuenta de que si, además de cambiar partículas por antipartículas (C) también se cambiaba el sentido en que todo gira (cambio de paridad, P), como si se vieran en un espejo, entonces sí que se portaban igual.

¿O no? En la década siguiente, fijándose en datos que ya existían del comportamiento de cierta partícula formada por quarks (el kaón), descubrieron que haciendo los dos cambios a la vez (C y P), aún quedaba una pequeña diferencia. ¡Ni siquiera la simetría CP era respetada!

Creación de la materia

En el Big Bang se creó igual cantidad de materia y antimateria, pero nuestro universo claramente está formado casi en exclusivo de materia. Si la Naturaleza se comporta así de simétricamente, tendría que haber la misma cantidad de antimateria en algún lado. No la hay. Para esto viene muy bien que la simetría CP no sea perfecta.

Pie de foto: Del Big Bang a nuestros días. En los primeros momentos tenemos el puzzle sobre cómo se creó la materia.

Gracias al kaón ya sabemos que en los quarks esa simetría no se cumple, pero la cantidad en la que no se cumple es muy pequeña. Tanto que no parecen salir las cuentas de cómo hay la materia que hay.

¿Queda alguna forma? Básicamente sólo una más.

Neutrinos al rescate.

Física experimental de neutrinos
Lo poco que interaccionan los neutrinos, a diferencia de los quarks y los electrones, hace que experimentar con ellos sea extremadamente difícil.

De la misma forma en que se estudió cómo ocurría la violación CP en los quarks, se ha intentado estudiar también con los neutrinos. La dificultad de trabajar con ellos ha hecho que hasta el día de hoy no se haya encontrado. No por falta de interés: desde los años 50 hasta la actualidad toda una saga de experimentos han ido resolviendo piezas del puzzle.

Entra en escena el experimento T2K. En él se producen haces de neutrinos y antineutrinos, que recorren unos 300 km hasta ser detectados. Al hacerlo, se estudia un fenómeno (el de las oscilaciones de neutrinos) que tiene probabilidades distintas para neutrinos y antineutrinos si existe violación CP.

Pie de foto: Neutrino interaccionando en T2K. De imágenes como ésta se reconstruye su comportamiento.

El agosto pasado T2K vio lo que muchos sospechaban, pero nadie sabía. Fuertes indicios de que los neutrinos violan CP.

Antes de descorchar las botellas, hay que ser cautelosos. Los datos no son suficientes como para que se considere un descubrimiento en física. Para eso haría falta que el resultado sólo pueda ser debido al azar en una de cada 10 millones de veces. De momento tiene un 5% de probabilidad de deberse al azar. Para confirmar el resultado T2K seguirá funcionando durante los próximos años.

Seguiremos atentos a lo que vea T2K. Pero hoy celebramos que, cuando los neutrinos se miran al espejo, les devuelve la mirada una imagen ligeramente distorsionada.

Una ligera distorsión que es clave para que estemos aquí.


Una versión extendida de este artículo ganó el VIII concurso de divulgación CPAN, en la modalidad mejor artículo de divulgación. Link: https://www.i-cpan.es/en/content/viii-concurso-de-divulgaci%C3%B3n-cpan-ganadores


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