Neutrinos: revelando os segredos da antimatería

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

• Fisika

Cando e como xorde o noso universo? Por que está cheo de materia? Son preguntas que a humanidade sempre reflexionou. E, aínda que pareza sorprendente, vivimos no momento en que a ciencia empezou a responder a esas preguntas.

Paira iso, no último século foron necesarias ideas teóricas valentes, experimentos xigantescos e sorte. Nos últimos anos, os científicos investigan una partícula fugaz, a neutrina, paira atopar resposta a estas preguntas.

Somos o po dunha Gran Explosión

Segundo os datos que temos, o noso universo comezou nunha gran explosión, chamada Big Bang, cunha enerxía incrible: un trillón de enerxía por cada centímetro cúbico de máis dunha bomba atómica. Toda esta enerxía xerou a materia actual, tal e como explica a famosa fórmula de Einstein: E = mc2. A fórmula permite transformar a enerxía en masa. Ou viceversa, cunha inxente cantidade de enerxía, crear masa.

Con todo, esta teoría ten un gran problema. XX. A principios do século XX, os científicos descubriron unhas partículas curiosas que parecían materia común, pero que ao atoparse coa materia común xeraban un brillo de luz que se destruían entre si. A este feito chamóuselle antimatería e a medida que se descubriu que todas as partículas tiñan una antipartícula. É máis, en todos os experimentos, materias e antimaterías parecían inseparables: se todas as partículas dun sistema intercambiábanse cos seus antipartículas, o comportamento do sistema non variaba en absoluto.

Por tanto, se as partículas e antipartículas son inseparables, no Big Bang produciríase o mesmo número de partículas e antipartículas. Enseguida destruiríanse e logo deixaron o universo cheo de luz. E non quedaría materia paira formar galaxias, estrelas, planetas e nós mesmos.

Buscando diferenzas entre materia e antimatería

Por este paradoxo, XX. A partir da segunda metade do século XX, a maioría dos científicos consideraban que a materia e a antimatería non son exactamente iguais. A menor diferencia tamén xeraría máis partículas que antipartícula en Big Bang, todas as antipartículas destruiríanse con partículas e as partículas que quedarían formarían o universo actual. Pero só os experimentos arraigan a ciencia. Afortunadamente, en 1964, un grupo de investigación estadounidense descubriu que algunhas das partículas xeradas nas reaccións nucleares e as súas antiparts se desintegran de forma diferente. Con todo, a medida que se ían investigando máis, todos os experimentos tiñan a mesma conclusión: a diferenza atopada era demasiado débil paira explicar o gran número de partículas que hai no noso universo.

Por iso, no intento de comprender o noso universo, a ciencia centrouse noutras partículas: as neutrinas. Os neutrinos son as partículas máis lixeiras e fugaces atopadas pola ciencia. A pesar da súa abundancia nas reaccións nucleares, pasaron 25 anos desde a súa proposta teórica até o seu descubrimento experimental debido á debilidade das súas interaccións. E é que, aínda que cen billóns neutros procedentes do Sol cada segundo atravesan o noso corpo, na nosa vida só uno deles chocará connosco de media. Por iso, necesítanse grandes detectores paira investigar os neutrinos: canto máis materia estea no detector, máis probabilidade de interaccionar un neutrino coa materia. Os detectores actuais son maiores que os avións intercontinentais! Aínda que fugaces, os neutrinos son fáciles de crear. Mira ao Sol e recibirás billóns neutrinos. Achégache a unha central nuclear e chega un millón de veces máis neutrino ao teu detector. Un raio de protones choca cun material denso creando un raio de neutrino.

Como todas as partículas, os neutrinos teñen una antipartícula: a antineutrina. E nos últimos anos as diferenzas entre neutrinos e antineutrinos foron aparecendo nos experimentos.

Neutrinos: a historia dos tres sabores

Paira comprender estas diferenzas hai que entender una propiedade importante dos neutrinos: o sabor. Segundo as teorías e experimentos de partículas existen tres tipos ou sabores de neutrino. Cada sabor fórmase nunha reacción diferente, con diferentes interaccións. É máis, teoricamente un neutrino nunca altera o seu sabor.

Ou iso crían os científicos. XX. A finais do século XX realizáronse varios experimentos xigantescos paira detectar neutrinos procedentes do Sol e dos raios cósmicos. O sabor destes neutrinos enténdese moi ben teoricamente, pero aos detectores algúns neutrinos chegaban con outro sabor. É máis, cantas máis distancias percorrían máis neutrinos cambiaban o seu sabor. Este feito sorprendeu aos científicos e obrigou a cambiar os modelos teóricos.

Paira explicar os resultados destes experimentos propúxose que os neutrinos tiñan una pequena masa. Tratábase da explicación máis sinxela e una masa diminuta (10-37 kg aprox.: un millón de veces menos que un electrón) era suficiente paira comprender os cambios de sabor dos neutrinos. Ao comezar a investigar esta proposta, os científicos déronse conta dunha sorprendente conclusión: se a masa de neutrinos provocaba cambios de sabor, sería posible que neutrinos e antineutrinos cambiasen de sabor de forma diferente. É dicir, os neutrinos ofrecían una nova oportunidade paira investigar as diferenzas entre materia e antimatería.

Comprendendo a antimatería con experimentos neutrinos

A medida que se sabía máis sobre os cambios de sabor dos neutrinos, cada vez era máis evidente que neutrinos e antineutrinos podían cambiar o sabor de forma diferente. E iso podería explicar por que o noso universo está cheo de materia. Paira entendelo mellor, na actualidade están a tomarse datos en dous experimentos: NONA en EEUU e T2K en Xapón. Nestes experimentos, un raio de protones choca cun anaco de grafito formando partículas. A desintegración destas partículas xera un alto número de neutrinos e antineutrinos. É máis, as partículas xeradas polos protones ao chocar contra o grafito poden ser controladas por campos magnéticos para que só se desintegren a neutrinos ou antineutrinos.

Desta forma pódense producir raios de neutrino ou antineutrino. Atravesan entre 500 e 800 quilómetros subterráneos e detéctanse en detectores xigantes. Una vez analizados os resultados destes experimentos, pódese saber se os neutrinos e os antineutrinos alteran á súa vez o sabor.

Con todo, un só experimento non é suficiente paira obter os resultados definitivos. Paira iso é necesario unir os datos de moitos experimentos nun único modelo teórico. E esa é a base da miña tese. En primeiro lugar, desenvolvín simulacións de experimentos T2K e NONA paira comprender os seus resultados nun marco común. Despois de coincidir cos resultados doutros experimentos neutrinos das últimas décadas, todo o que sabemos sobre os cambios de sabor dos neutrinos pódese cuantificar con instrumentos estatísticos.

O resultado desta análise foi a diferenza entre neutrinos e antineutrinos. É máis, esta diferenza é bastante grande: Mil veces máis forte que o descuberto en 1964! Por tanto, este resultado é sorprendente e emocionante: é posible que o neutrino sexa a chave da diferenza entre materia e antimatería do Big Bang.

Con todo, comprender os resultados destes experimentos non é fácil. Antes de chegar ao detector, os neutrinos atravesan centos de quilómetros. Segundo as nosas teorías, isto non debería influír moito nos resultados. Pero os neutrinos xa anularon as teorías fai 30 anos: é imprescindible analizar os datos sen prexuízos teóricos. E se os neutrinos interaccionan estraños coa materia, é posible que os datos deban interpretarse doutra maneira.

Esa foi a segunda parte da miña tese. Estudei as interaccións dos neutrinos coa materia e se outros experimentos anularon esas interaccións. É máis, as novas interaccións poden provocar diferenzas entre materia e antimatería. Entender isto tamén é fundamental paira comprender as diferenzas entre neutrinos e antineutrinos.

Así, puiden analizar todos os datos dos experimentos en modelos teóricos máis xerais. Isto tivo un resultado interesante: parece que o que descubriron os experimentos polo momento é que os neutrinos e os antineutrinos son diferentes, e non a consecuencia doutras interaccións. Paira concluír isto foi importante realizar varios experimentos con neutrinos até o momento e será imprescindible no futuro.

É interesante que no País Vasco están a facerse algúns elementos básicos paira un experimento destas características. Dentro de poucos anos construirase en Suecia a Fonte Europea de Espalación de Neutróns (ESS, polas súas siglas en inglés), coa participación de empresas da zona de Bilbao. ESS creará un raio de neutróns paira investigar a ciencia dos materiais. Pero o mesmo proceso de xeración de neutróns xerará once neutrinos. Estes neutrinos non alterarán o seu sabor nin servirán paira analizar a diferenza entre materia e antimatería. Con todo, una parte da miña tese demostrou que cos detectores adecuados paira eses neutrinos podemos explorar perfectamente as súas interaccións. Isto permitirá comprender mellor os experimentos de cambios de sabor de neutrinos e, por tanto, as diferenzas entre neutrinos e antineutrinos.

E iso non é a única conexión entre a tecnoloxía dos neutrinos e o País Vasco. Aínda que a investigación de neutrinos parece afastarse da realidade, desenvolvéronse detectores específicos paira a observación deste tipo de partículas. O proxecto PETALO do DIPC pretende utilizar estes detectores específicos en medicamento nuclear. A vacina tamén é coñecemento de neutrinos!

Así, aos poucos, o ser humano sabe máis sobre o comezo do universo. O misterio da antimatería vaise desvelando cos experimentos de partículas. Nos últimos anos parece que os neutrinos poden ser a chave e paira iso está a construír varios experimentos ao longo do mundo. Que aprenderemos deles e que novas preguntas traerannos os resultados...quen sabe!

Referencias