Neutrinos: revelando los secretos de la antimatería

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

• Fisika

¿Cuándo y cómo surge nuestro universo? ¿Por qué está lleno de materia? Son preguntas que la humanidad siempre ha reflexionado. Y, aunque parezca sorprendente, vivimos en el momento en que la ciencia ha empezado a responder a esas preguntas.

Para ello, en el último siglo han sido necesarias ideas teóricas valientes, experimentos gigantescos y suerte. En los últimos años, los científicos investigan una partícula fugaz, la neutrina, para encontrar respuesta a estas preguntas.

Somos el polvo de una Gran Explosión

Según los datos que tenemos, nuestro universo comenzó en una gran explosión, llamada Big Bang, con una energía increíble: un trillón de energía por cada centímetro cúbico de más de una bomba atómica. Toda esta energía generó la materia actual, tal y como explica la famosa fórmula de Einstein: E = mc2. La fórmula permite transformar la energía en masa. O viceversa, con una ingente cantidad de energía, crear masa.

Sin embargo, esta teoría tiene un gran problema. XX. A principios del siglo XX, los científicos descubrieron unas partículas curiosas que parecían materia común, pero que al encontrarse con la materia común generaban un brillo de luz que se destruían entre sí. A este hecho se le llamó antimatería y a medida que se descubrió que todas las partículas tenían una antipartícula. Es más, en todos los experimentos, materias y antimaterías parecían inseparables: si todas las partículas de un sistema se intercambiaban con sus antipartículas, el comportamiento del sistema no variaba en absoluto.

Fuentes de neutrinos y cantidad de neutrinos por centímetro cuadrado y segundo. En el Universo, en el Big Bang, en las supernovas o en el Sol se produce gran cantidad de neutrinos. Cuando un rayo cósmico choca con la atmósfera también se producen neutrinos. Los neutrinos también son producidos por elementos radiactivos en la tierra, centrales nucleares o en el cuerpo humano. Por último, en los aceleradores de partículas podemos formar rayos neutrinos.

Por tanto, si las partículas y antipartículas son inseparables, en el Big Bang se produciría el mismo número de partículas y antipartículas. Enseguida se destruirían y luego dejaron el universo lleno de luz. Y no quedaría materia para formar galaxias, estrellas, planetas y nosotros mismos.

Buscando diferencias entre materia y antimatería

Por esta paradoja, XX. A partir de la segunda mitad del siglo XX, la mayoría de los científicos consideraban que la materia y la antimatería no son exactamente iguales. La menor diferencia también generaría más partículas que antipartícula en Big Bang, todas las antipartículas se destruirían con partículas y las partículas que quedarían formarían el universo actual. Pero sólo los experimentos arraigan la ciencia. Afortunadamente, en 1964, un grupo de investigación estadounidense descubrió que algunas de las partículas generadas en las reacciones nucleares y sus antiparts se desintegran de forma diferente. Sin embargo, a medida que se iban investigando más, todos los experimentos tenían la misma conclusión: la diferencia encontrada era demasiado débil para explicar el gran número de partículas que hay en nuestro universo.

Por ello, en el intento de comprender nuestro universo, la ciencia se centró en otras partículas: las neutrinas. Los neutrinos son las partículas más ligeras y fugaces encontradas por la ciencia. A pesar de su abundancia en las reacciones nucleares, pasaron 25 años desde su propuesta teórica hasta su descubrimiento experimental debido a la debilidad de sus interacciones. Y es que, aunque cien billones neutros procedentes del Sol cada segundo atraviesan nuestro cuerpo, en nuestra vida sólo uno de ellos colisionará con nosotros de media. Por ello, se necesitan grandes detectores para investigar los neutrinos: cuanto más materia esté en el detector, más probabilidad de interaccionar un neutrino con la materia. ¡Los detectores actuales son mayores que los aviones intercontinentales! Aunque fugaces, los neutrinos son fáciles de crear. Mira al Sol y recibirás billones neutrinos. Acércate a una central nuclear y llega un millón de veces más neutrino a tu detector. Un rayo de protones choca con un material denso creando un rayo de neutrino.

Como todas las partículas, los neutrinos tienen una antipartícula: la antineutrina. Y en los últimos años las diferencias entre neutrinos y antineutrinos han ido apareciendo en los experimentos.

Big Bang y origen de la materia. En el Big Bang se formaron partículas y antiparts [izquierda]. Una pequeña diferencia entre ellas generaría más partículas que antipartículas. Con el paso del tiempo [derecha], los antiparts se destruirían con partículas, dejando las partículas que forman nuestro universo.

Neutrinos: la historia de los tres sabores

Para comprender estas diferencias hay que entender una propiedad importante de los neutrinos: el sabor. Según las teorías y experimentos de partículas existen tres tipos o sabores de neutrino. Cada sabor se forma en una reacción diferente, con diferentes interacciones. Es más, teóricamente un neutrino nunca altera su sabor.

O eso creían los científicos. XX. A finales del siglo XX se realizaron varios experimentos gigantescos para detectar neutrinos procedentes del Sol y de los rayos cósmicos. El sabor de estos neutrinos se entiende muy bien teóricamente, pero a los detectores algunos neutrinos llegaban con otro sabor. Es más, cuantos más distancias recorrían más neutrinos cambiaban su sabor. Este hecho sorprendió a los científicos y obligó a cambiar los modelos teóricos.

Para explicar los resultados de estos experimentos se propuso que los neutrinos tenían una pequeña masa. Se trataba de la explicación más sencilla y una masa diminuta (10-37 kg aprox.: un millón de veces menos que un electrón) era suficiente para comprender los cambios de sabor de los neutrinos. Al comenzar a investigar esta propuesta, los científicos se dieron cuenta de una sorprendente conclusión: si la masa de neutrinos provocaba cambios de sabor, sería posible que neutrinos y antineutrinos cambiaran de sabor de forma diferente. Es decir, los neutrinos ofrecían una nueva oportunidad para investigar las diferencias entre materia y antimatería.

Comprendiendo la antimatería con experimentos neutrinos

A medida que se sabía más sobre los cambios de sabor de los neutrinos, cada vez era más evidente que neutrinos y antineutrinos podían cambiar el sabor de forma diferente. Y eso podría explicar por qué nuestro universo está lleno de materia. Para entenderlo mejor, en la actualidad se están tomando datos en dos experimentos: NOnA en EEUU y T2K en Japón. En estos experimentos, un rayo de protones choca con un trozo de grafito formando partículas. La desintegración de estas partículas genera un alto número de neutrinos y antineutrinos. Es más, las partículas generadas por los protones al chocar contra el grafito pueden ser controladas por campos magnéticos para que sólo se desintegren a neutrinos o antineutrinos.

Detector del experimento de neutrino NOnA. Debido a la poca interacción de los neutrinos, los detectores son gigantes para aumentar la probabilidad de colisión de un neutrino.

De esta forma se pueden producir rayos de neutrino o antineutrino. Atraviesan entre 500 y 800 kilómetros subterráneos y se detectan en detectores gigantes. Una vez analizados los resultados de estos experimentos, se puede saber si los neutrinos y los antineutrinos alteran a su vez el sabor.

Sin embargo, un solo experimento no es suficiente para obtener los resultados definitivos. Para ello es necesario unir los datos de muchos experimentos en un único modelo teórico. Y esa es la base de mi tesis. En primer lugar, he desarrollado simulaciones de experimentos T2K y NOnA para comprender sus resultados en un marco común. Después de coincidir con los resultados de otros experimentos neutrinos de las últimas décadas, todo lo que sabemos sobre los cambios de sabor de los neutrinos se puede cuantificar con instrumentos estadísticos.

El resultado de este análisis ha sido la diferencia entre neutrinos y antineutrinos. Es más, esta diferencia es bastante grande: ¡Mil veces más fuerte que lo descubierto en 1964! Por tanto, este resultado es sorprendente y emocionante: es posible que el neutrino sea la llave de la diferencia entre materia y antimatería del Big Bang.

Sin embargo, comprender los resultados de estos experimentos no es fácil. Antes de llegar al detector, los neutrinos atraviesan cientos de kilómetros. Según nuestras teorías, esto no debería influir mucho en los resultados. Pero los neutrinos ya anularon las teorías hace 30 años: es imprescindible analizar los datos sin prejuicios teóricos. Y si los neutrinos interaccionan extraños con la materia, es posible que los datos deban interpretarse de otra manera.

Esa ha sido la segunda parte de mi tesis. He estudiado las interacciones de los neutrinos con la materia y si otros experimentos han anulado esas interacciones. Es más, las nuevas interacciones pueden provocar diferencias entre materia y antimatería. Entender esto también es fundamental para comprender las diferencias entre neutrinos y antineutrinos.

Distancia [izquierda] recorrida por neutrinos en el experimento NOnA, desde Chicago a Minnesota. En la imagen de la derecha, la misma distancia en un mapa europeo: si los neutrinos salieran de Bergara, llegarían hasta Compiègne, a 80 kilómetros de París. Fuente de los mapas: Google Maps.

Así, he podido analizar todos los datos de los experimentos en modelos teóricos más generales. Esto ha tenido un resultado interesante: parece que lo que han descubierto los experimentos por el momento es que los neutrinos y los antineutrinos son diferentes, y no la consecuencia de otras interacciones. Para concluir esto ha sido importante haber realizado varios experimentos con neutrinos hasta el momento y será imprescindible en el futuro.

Es interesante que en el País Vasco se están haciendo algunos elementos básicos para un experimento de estas características. Dentro de pocos años se construirá en Suecia la Fuente Europea de Espalación de Neutrones (ESS, por sus siglas en inglés), con la participación de empresas de la zona de Bilbao. ESS creará un rayo de neutrones para investigar la ciencia de los materiales. Pero el mismo proceso de generación de neutrones generará once neutrinos. Estos neutrinos no alterarán su sabor ni servirán para analizar la diferencia entre materia y antimatería. Sin embargo, una parte de mi tesis ha demostrado que con los detectores adecuados para esos neutrinos podemos explorar perfectamente sus interacciones. Esto permitirá comprender mejor los experimentos de cambios de sabor de neutrinos y, por tanto, las diferencias entre neutrinos y antineutrinos.

Y eso no es la única conexión entre la tecnología de los neutrinos y el País Vasco. Aunque la investigación de neutrinos parece alejarse de la realidad, se han desarrollado detectores específicos para la observación de este tipo de partículas. El proyecto PETALO del DIPC pretende utilizar estos detectores específicos en medicina nuclear. ¡La vacuna también es conocimiento de neutrinos!

Así, poco a poco, el ser humano sabe más sobre el comienzo del universo. El misterio de la antimatería se va desvelando con los experimentos de partículas. En los últimos años parece que los neutrinos pueden ser la llave y para ello está construyendo varios experimentos a lo largo del mundo. Qué aprenderemos de ellos y qué nuevas preguntas nos traerán los resultados...¡quién sabe!

Referencias