Neutrins: revelant els secrets de l'antimatería

2021/12/01 Esteban Muñoz, Ivan - Fisikako ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

Quan i com sorgeix el nostre univers? Per què està ple de matèria? Són preguntes que la humanitat sempre ha reflexionat. I, encara que sembli sorprenent, vivim en el moment en què la ciència ha començat a respondre a aquestes preguntes.

Per a això, en l'últim segle han estat necessàries idees teòriques valentes, experiments gegantescos i sort. En els últims anys, els científics investiguen una partícula fugaç, la neutrina, per a trobar resposta a aquestes preguntes.

Som la pols d'una Gran Explosió

Segons les dades que tenim, el nostre univers va començar en una gran explosió, anomenada Big bang, amb una energia increïble: un trilió d'energia per cada centímetre cúbic de més d'una bomba atòmica. Tota aquesta energia va generar la matèria actual, tal com explica la famosa fórmula d'Einstein: E = mc2. La fórmula permet transformar l'energia en massa. O viceversa, amb una ingent quantitat d'energia, crear massa.

No obstant això, aquesta teoria té un gran problema. XX. A principis del segle XX, els científics van descobrir unes partícules curioses que semblaven matèria comuna, però que en trobar-se amb la matèria comuna generaven una lluentor de llum que es destruïen entre si. A aquest fet se'n va dir antimatería i a mesura que es va descobrir que totes les partícules tenien una antipartícula. És més, en tots els experiments, matèries i antimaterías semblaven inseparables: si totes les partícules d'un sistema s'intercanviaven amb les seves antipartícules, el comportament del sistema no variava en absolut.

Fuentes de neutrins i quantitat de neutrins per centímetre quadrat i segon. En l'Univers, en el Big bang, en les supernoves o en el Sol es produeix gran quantitat de neutrins. Quan un raig còsmic xoca amb l'atmosfera també es produeixen neutrins. Els neutrins també són produïts per elements radioactius en la terra, centrals nuclears o en el cos humà. Finalment, en els acceleradors de partícules podem formar raigs neutrins.

Per tant, si les partícules i antipartícules són inseparables, en el Big bang es produiria el mateix nombre de partícules i antipartícules. De seguida es destruirien i després van deixar l'univers ple de llum. I no quedaria matèria per a formar galàxies, estrelles, planetes i nosaltres mateixos.

Buscant diferències entre matèria i antimatería

Per aquesta paradoxa, XX. A partir de la segona meitat del segle XX, la majoria dels científics consideraven que la matèria i l'antimatería no són exactament iguals. La menor diferència també generaria més partícules que antipartícula en Big bang, totes les antipartícules es destruirien amb partícules i les partícules que quedarien formarien l'univers actual. Però només els experiments arrelen la ciència. Afortunadament, en 1964, un grup de recerca estatunidenca va descobrir que algunes de les partícules generades en les reaccions nuclears i les seves antiparts es desintegren de manera diferent. No obstant això, a mesura que s'anaven investigant més, tots els experiments tenien la mateixa conclusió: la diferència oposada era massa feble per a explicar el gran nombre de partícules que hi ha en el nostre univers.

Per això, en l'intent de comprendre el nostre univers, la ciència es va centrar en altres partícules: les neutrinas. Els neutrins són les partícules més lleugeres i fugaces trobades per la ciència. Malgrat la seva abundància en les reaccions nuclears, van passar 25 anys des de la seva proposta teòrica fins al seu descobriment experimental a causa de la feblesa de les seves interaccions. I és que, encara que cent bilions neutres procedents del Sol cada segon travessen el nostre cos, en la nostra vida només un d'ells col·lidirà amb nosaltres de mitjana. Per això, es necessiten grans detectors per a investigar els neutrins: com més matèria estigui en el detector, més probabilitat d'interaccionar un neutrí amb la matèria. Els detectors actuals són majors que els avions intercontinentals! Encara que fugaços, els neutrins són fàcils de crear. Mira al Sol i rebràs bilions neutrins. Acosta't a una central nuclear i arriba un milió de vegades més neutrí al teu detector. Un raig de protons xoca amb un material dens creant un raig de neutrí.

Com totes les partícules, els neutrins tenen una antipartícula: l'antineutrina. I en els últims anys les diferències entre neutrins i antineutrinos han anat apareixent en els experiments.

Big bang i origen de la matèria. En el Big bang es van formar partícules i antiparts [esquerra]. Una petita diferència entre elles generaria més partícules que antipartícules. Amb el pas del temps [dreta], els antiparts es destruirien amb partícules, deixant les partícules que formen el nostre univers.

Neutrins: la història dels tres sabors

Per a comprendre aquestes diferències cal entendre una propietat important dels neutrins: el sabor. Segons les teories i experiments de partícules existeixen tres tipus o sabors de neutrí. Cada sabor es forma en una reacció diferent, amb diferents interaccions. És més, teòricament un neutrí mai altera el seu sabor.

O això creien els científics. XX. A la fi del segle XX es van realitzar diversos experiments gegantescos per a detectar neutrins procedents del Sol i dels raigs còsmics. El sabor d'aquests neutrins s'entén molt bé teòricament, però als detectors alguns neutrins arribaven amb un altre sabor. És més, quants més distàncies recorrien més neutrins canviaven el seu sabor. Aquest fet va sorprendre els científics i va obligar a canviar els models teòrics.

Per a explicar els resultats d'aquests experiments es va proposar que els neutrins tenien una petita massa. Es tractava de l'explicació més senzilla i una massa diminuta (10-37 kg aprox.: un milió de vegades menys que un electró) era suficient per a comprendre els canvis de sabor dels neutrins. En començar a investigar aquesta proposta, els científics es van adonar d'una sorprenent conclusió: si la massa de neutrins provocava canvis de sabor, seria possible que neutrins i antineutrinos canviessin de sabor de manera diferent. És a dir, els neutrins oferien una nova oportunitat per a investigar les diferències entre matèria i antimatería.

Comprenent l'antimatería amb experiments neutrins

A mesura que se sabia més sobre els canvis de sabor dels neutrins, cada vegada era més evident que neutrins i antineutrinos podien canviar el sabor de manera diferent. I això podria explicar per què el nostre univers està ple de matèria. Per a entendre-ho millor, en l'actualitat s'estan prenent dades en dos experiments: NOnA als EUA i T2K al Japó. En aquests experiments, un raig de protons xoca amb un tros de grafit formant partícules. La desintegració d'aquestes partícules genera un alt nombre de neutrins i antineutrinos. És més, les partícules generades pels protons en xocar contra el grafit poden ser controlades per camps magnètics perquè només es desintegrin a neutrins o antineutrinos.

Detector de l'experiment de neutrí NOnA. A causa de la poca interacció dels neutrins, els detectors són gegants per a augmentar la probabilitat de col·lisió d'un neutrí.

D'aquesta forma es poden produir raigs de neutrí o antineutrino. Travessen entre 500 i 800 quilòmetres subterranis i es detecten en detectors gegants. Una vegada analitzats els resultats d'aquests experiments, es pot saber si els neutrins i els antineutrinos alteren al seu torn el sabor.

No obstant això, un sol experiment no és suficient per a obtenir els resultats definitius. Per a això és necessari unir les dades de molts experiments en un únic model teòric. I aquesta és la base de la meva tesi. En primer lloc, he desenvolupat simulacions d'experiments T2K i NOnA per a comprendre els seus resultats en un marc comú. Després de coincidir amb els resultats d'altres experiments neutrins de les últimes dècades, tot el que sabem sobre els canvis de sabor dels neutrins es pot quantificar amb instruments estadístics.

El resultat d'aquesta anàlisi ha estat la diferència entre neutrins i antineutrinos. És més, aquesta diferència és bastant gran: Mil vegades més forta que el descobert en 1964! Per tant, aquest resultat és sorprenent i emocionant: és possible que el neutrí sigui la clau de la diferència entre matèria i antimatería del Big bang.

No obstant això, comprendre els resultats d'aquests experiments no és fàcil. Abans d'arribar al detector, els neutrins travessen centenars de quilòmetres. Segons les nostres teories, això no hauria d'influir molt en els resultats. Però els neutrins ja van anul·lar les teories fa 30 anys: és imprescindible analitzar les dades sense prejudicis teòrics. I si els neutrins interaccionen estranys amb la matèria, és possible que les dades hagin d'interpretar-se d'una altra manera.

Aquesta ha estat la segona part de la meva tesi. He estudiat les interaccions dels neutrins amb la matèria i si altres experiments han anul·lat aquestes interaccions. És més, les noves interaccions poden provocar diferències entre matèria i antimatería. Entendre això també és fonamental per a comprendre les diferències entre neutrins i antineutrinos.

Distància [esquerra] recorreguda per neutrins en l'experiment NOnA, des de Chicago a Minnesota. En la imatge de la dreta, la mateixa distància en un mapa europeu: si els neutrins sortissin de Bergara, arribarien fins a Compiègne, a 80 quilòmetres de París. Font dels mapes: Google Maps.

Així, he pogut analitzar totes les dades dels experiments en models teòrics més generals. Això ha tingut un resultat interessant: sembla que el que han descobert els experiments de moment és que els neutrins i els antineutrinos són diferents, i no la conseqüència d'altres interaccions. Per a concloure això ha estat important haver realitzat diversos experiments amb neutrins fins al moment i serà imprescindible en el futur.

És interessant que al País Basc s'estan fent alguns elements bàsics per a un experiment d'aquestes característiques. Dins de pocs anys es construirà a Suècia la Font Europea d'Espal·lació de Neutrons (ESS, per les seves sigles en anglès), amb la participació d'empreses de la zona de Bilbao. ESS crearà un raig de neutrons per a investigar la ciència dels materials. Però el mateix procés de generació de neutrons generarà onze neutrins. Aquests neutrins no alteraran el seu sabor ni serviran per a analitzar la diferència entre matèria i antimatería. No obstant això, una part de la meva tesi ha demostrat que amb els detectors adequats per a aquests neutrins podem explorar perfectament les seves interaccions. Això permetrà comprendre millor els experiments de canvis de sabor de neutrins i, per tant, les diferències entre neutrins i antineutrinos.

I això no és l'única connexió entre la tecnologia dels neutrins i el País Basc. Encara que la recerca de neutrins sembla allunyar-se de la realitat, s'han desenvolupat detectors específics per a l'observació d'aquesta mena de partícules. El projecte PETALO del DIPC pretén utilitzar aquests detectors específics en medicina nuclear. La vacuna també és coneixement de neutrins!

Així, a poc a poc, l'ésser humà sap més sobre el començament de l'univers. El misteri de l'antimatería es va revelant amb els experiments de partícules. En els últims anys sembla que els neutrins poden ser la clau i per a això està construint diversos experiments al llarg del món. Què aprendrem d'ells i quines noves preguntes ens portaran els resultats...qui sap!

Referències