¿Qué son los neutrinos?
Los neutrinos son partículas fundamentales. Por partícula entendemos una entidad de materia (poseen masa) o radiación (carecen de masa) a la que tiene sentido asignar unas propiedades físicas; por fundamental entendemos que es el componente mínimo de la naturaleza que tiene estas propiedades. De esta manera, las partículas fundamentales, en general, son las cantidades mínimas de materia o radiación que componen la naturaleza. Poniéndolo en perspectiva, las moléculas están hechas de átomos y los átomos de partículas fundamentales (electrones y formando estos últimos los neutrones y protones del núcleo). La física de partículas, por tanto, engloba el estudio de estas partículas y de cómo interactúan entre ellas. En la actualidad y desde la década de 1970, el marco teórico más preciso que describe todo esto es el llamado Modelo Estándar, en el cual se describen las propiedades de todas las partículas fundamentales conocidas, así como su comportamiento mediante tres de las cuatro fuerzas fundamentales (electromagnetismo, nuclear débil, nuclear fuerte y gravedad); actualmente, este modelo permanece incompleto por ser la gravedad demasiado débil para poder estudiarla en los experimentos de física de partículas. En concreto, los neutrinos son partículas fundamentales de materia, similares a los electrones en gran parte de sus propiedades excepto en que su masa es al menos (aún no se ha podido medir por ser demasiado pequeña) un millón de veces menor que la del electrón (0,0000000000000000000000000000009 kg) y carecen de carga eléctrica. Esto último implica que no interaccionan con la fuerza electromagnética, únicamente lo hacen mediante la fuerza nuclear débil, haciendo que sus interacciones sean realmente escasas y, por tanto, muy difícil de detectar.
¿Cuántos tipos de neutrinos hay y en qué se diferencian?
En general, en el Modelo Estándar existen tres familias para cada partícula de materia y, hasta donde sabemos, esto se mantiene para los neutrinos. Los tres tipos de neutrinos predichos han sido confirmados experimentalmente: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tau. Al igual que ocurre con el resto de familias, los tres tipos de neutrinos tienen las mismas propiedades excepto su masa. Además de los anteriores tres tipos de neutrinos, cada uno de ellos tiene su compañero de antimateria, el antineutrino. En general, la diferencia entre una partícula y su antipartícula es que tienen cargas opuestas, sin embargo para los neutrinos esta diferencia es más sutil al tener carga nula. De hecho, existe la posibilidad de que neutrino y antineutrino sean realmente la misma partícula. Por supuesto, existen teorías que contemplan la existencia de otros tipos de neutrinos además de los tres propuestos en el Modelo Estándar, pero, al menos por el momento, carecen de soporte experimental (los experimentos Super-Kamiokande y T2K también lo estudian).
¿Qué son las oscilaciones de neutrinos y por qué es importante su medida?
Una peculiaridad de los neutrinos es que cambian de un tipo a otro al propagarse libremente y la probabilidad de este cambio fluctúa con la distancia recorrida por el neutrino (aumenta, disminuye, aumenta, etcétera), de ahí la denominación de oscilaciones de neutrinos. Esta propiedad radica en el comportamiento cuántico de estas partículas, al propagarse no son de un único tipo, sino una superposición o entrelazamiento de todos ellos. Las consecuencias son que, a pesar de haberse producido un neutrino de un tipo en origen, en los detectores, situados a una cierta distancia, se pueda detectar ese neutrino siendo de cualquiera de las tres familias existentes. Esta característica fue descubierta por el experimento Super-Kamiokande (premio Nobel de 2015) y no era predicha por el Modelo Estándar, ya que para que haya oscilaciones de neutrinos, estos han de tener masa, y el Modelo Estándar predecía que sus masas eran nulas. Esta discrepancia es fundamental, y es por esto que los neutrinos son una potencial fuente de pistas que nos ayuden a construir modelos más precisos para describir la naturaleza de nuestro universo.
¿Por qué son importantes para profundizar en el estudio de la composición del cosmos?
En primer lugar, los neutrinos son muy abundantes en el universo en el que vivimos ya que intervienen en multitud de procesos de la naturaleza, de hecho, y a pesar de su pequeña masa, se estima que conforman más del 1% del contenido de materia en el universo (cada segundo nos atraviesan más de 1.000.000.000.000.000 neutrinos). Los neutrinos se producen de forma natural en las reacciones nucleares, en las estrellas, en las explosiones de supernovas, en los choques de rayos cósmicos con la atmósfera e incluso en el Big Bang. También los podemos producir artificialmente mediante procesos controlados como en aceleradores de partículas y reactores nucleares, y no tan controlados como bombas nucleares. Por otra parte, al ser los neutrinos son partículas fundamentales, son ingredientes básicos para la comprensión del funcionamiento de la naturaleza. Desde este punto de vista, un conocimiento en profundidad de los neutrinos ayuda a explicar ciertos aspectos de la física fundamental que aún no conocemos: ¿por qué sus masas son tan pequeñas?, ¿son los neutrinos sus propias antipartículas?, ¿pueden explicar por qué el universo está hecho de materia y no de antimateria? Al ser, actualmente, los neutrinos la única desviación del Modelo Estándar, su estudio puede ofrecer pistas de un marco teórico más general y preciso que describa la naturaleza. Además y debido a que pueden viajar grandes distancias sin verse afectados por el entorno, los neutrinos juegan un papel muy importante en la recopilación de información de numerosos fenómenos físicos en los campos de la astrofísica y la cosmología. Con su estudio mejora nuestro conocimiento sobre la evolución de las estrellas, los procesos de las supernovas y la formación de agujeros negros, otros procesos cósmicos aún por descubrir y conocer más detalles de la historia de nuestro universo.
¿Cómo funciona el experimento T2K?
A pesar de la ingente cantidad de neutrinos que nos atraviesan, solamente uno de ellos interactuará con uno de los átomos que nos forman a lo largo de nuestra vida. Por esto, se hacen necesarios experimentos enormes y muy sensibles situados bajo tierra donde los neutrinos pueden llegar sin verse afectados y el resto de partículas no. T2K (Tokai-a-Kamioka) es un gran experimento situado en Japón y compuesto de tres grandes partes: un acelerador donde se producen los neutrinos, un detector cercano y un detector lejano. Los neutrinos a estudiar se producen en el acelerador J-PARC (Complejo Japonés de Aceleradores de Protones para la Investigación), situado en la costa este de Japón, en Tokai. En este complejo, protones son acelerados y hechos colisionar con un blanco de grafito; tras esta colisión se producen otras partículas que a su vez se desintegran dando lugar a neutrinos. Aquí se producen mayoritariamente neutrinos de un tipo, muónicos, pudiéndose cambiar los reglajes para producir neutrinos o antineutrinos. Los neutrinos producidos viajan ahora a través de la Tierra unos 280 m hasta el detector cercano (ND280), compuesto por varios instrumentos que miden de manera muy precisa las propiedades de los neutrinos producidos en J-PARC antes de que les dé tiempo a oscilar. Esta parte es crucial para minimizar los errores en el análisis final. Una vez superado el detector cercano, los neutrinos continúan propagándose bajo tierra a lo largo de 295 km hasta la costa oeste de Japón donde se encuentra el detector lejano, Super-Kamiokande, en Kamioka. Este detector es un enorme tanque cilíndrico de 50.000 toneladas de agua ultra-pura, con 40 m de altura y 40 m de diámetro, y situado 1 km bajo tierra. Una pequeña parte de los neutrinos producidos interaccionan con los núcleos de los átomos del agua produciendo, en su mayoría, partículas con carga eléctrica de su misma familia (neutrinos electrónicos producen electrones, neutrinos muónicos producen muones, etc.). Estas partículas cargadas son producidos con una velocidad mayor que la velocidad de la luz en el agua, emitiendo un tipo de luz muy característico en forma de anillo, la radiación Cherenkov. Esta radiación es medida por los más de 11.000 fotomultiplicadores que cubren las paredes interiores del detector, pudiendo discernir los tipos de neutrinos por la forma e intensidad del anillo. La energía de los neutrinos y la distancia de los detectores están seleccionadas para que la mayoría de neutrinos muónicos producidos en J-PARC se hallan convertido en neutrinos electrónicos a su llegada a Kamioka. Además, al poder hacer esto con neutrinos y antineutrinos, se pueden comparar las oscilaciones de unos y otros, permitiendo el estudio de sus diferencias. Esta diferencia se parametriza con un único valor, con valor positivo para las oscilaciones de neutrinos y negativo para las de antineutrinos.
¿Por qué es importante la ruptura de la simetría entre neutrinos y antineutrinos?
En el contexto de la física, una simetría es una transformación que, al ser aplicada a un objeto, lo deja inalterado. Una posible simetría es la del comportamiento de partículas y antipartículas. Esta simetría se puede entender como la aplicación de dos transformaciones simples, el cambio de signo en la carga de la partícula (denotada por C) y la inversión de la dirección de la partícula (llamado paridad, P); aplicar C y P (o CP abreviado) a una partícula la transforma en su antipartícula. De modo que si aplicamos CP a las oscilaciones de neutrinos obtendremos las oscilaciones de antineutrinos, si éstas no son iguales tendríamos que la simetría entre neutrino y antineutrino no se conserva y el parámetro que rige esta diferencia (?CP) sería distinto de cero. Los recientes resultados publicados por T2K en la revista Nature, indican que neutrinos y antineutrinos no oscilan de la misma manera con una confianza del 95%, mostrando además, que es muy probable que esta diferencia sea grande. Para estos resultados, se han utilizado 9 años de datos de T2K, lo cual muestra una vez más la dificultad de esta medida. La no conservación o violación de esta simetría, junto con el hecho de que sea grande ayudan a explicar el porqué nuestro universo está compuesto mayoritariamente de materia y no de antimateria. Es ampliamente aceptado que en el origen del universo había la misma cantidad de materia y antimateria, siendo requisito indispensable para comprender (mediante un proceso llamado leptogénesis) por qué hoy día solo hay materia que algunas partículas no se comporten igual que sus antipartículas.
¿Cuál sería el siguiente paso en esta investigación?
El siguiente paso es seguir analizando y produciendo datos en T2K y otros experimentos para poder medir este parámetro ?CP con mayor precisión y eliminar la posibilidad de que sea cero con mayor confianza (en física de partículas se requiere una confianza de más del 99.9999% para proclamar un descubrimiento).
¿Qué resultado final esperan?
El resultado final no será muy diferente al dado en el presente artículo, la diferencia de que será un resultado mucho más preciso del parámetro a estudio, con un valor numérico con menos incertidumbre y se podrá definitivamente descartar el idéntico comportamiento de las oscilaciones de neutrinos y antineutrinos.
¿Cómo funciona la colaboración T2K?
Al ser T2K un gran experimento, también necesita de muchos investigadores e investigadoras que trabajen en él. Actualmente la colaboración de T2K está formada por cerca de 500 miembros de 69 instituciones repartidas en 12 países, de los cuáles España es uno de ellos desde el principio del experimento. Las tareas básicas dentro de la colaboración engloban la construcción y mantenimiento de todos los detectores y las instalaciones que lo forman, la supervisión de su funcionamiento y, por supuesto, el análisis de todos los datos obtenidos. En resumen, aunque cada uno se centre más en un tema, todos hacemos un poco de todo. A pesar de que la comunicación y las reuniones telemáticas de cada subgrupo de la colaboración son continuas (semanales), tres veces al año se realiza una reunión de una semana en la que se juntan todos los miembros de la colaboración para compartir y discutir el estado del experimento y los resultados obtenidos.
En paralelo, usted sigue trabajando en el equipo de Takaaki Kajita, ¿qué están investigando ahora?
Como se deduce de lo anterior, el trabajo se divide en grupos dentro de la colaboración de un experimento. A pesar de que el profesor Kajita se ocupa más del ámbito institucional, sí es cierto que participo en grupos de investigación en los que Takaaki Kajita ha sido una pieza fundamental. Unos ejemplos de estos grupos son el análisis de oscilaciones de neutrinos con el experimento T2K, análisis de oscilaciones de neutrinos atmosféricos y búsquedas del decaimiento del protón con el experimento Super-Kamiokande, o el diseño, desarrollo, investigación y planificación del experimento que será el sucesor de los experimentos T2K y Super-Kamiokande, Hyper-Kamiokande, que supondrá una fuente de neutrinos de mayor intensidad, mejoras en los detectores cercanos y un nuevo detector lejano mejorado y con 250.000 toneladas de agua ultra-pura.
¿Qué otros proyectos tiene en perspectiva?
La investigación es algo que no se acaba, por cada respuesta surgen muchas más preguntas. La curiosidad del ser humano lleva a que en este oficio no se acabe el trabajo. En la actualidad, participo en varios grupos de los experimentos T2K, Super-Kamiokande, SuperK-Gd (una mejora para el detector Super-Kamiokande que consiste en disolver gadolinio en su agua), Hyper-Kamiokande, Proto-DUNE (prototipo situado en el CERN para otro futuro detector de neutrinos), DUNE (futuro experimento de neutrinos que se hará en EEUU) y formo parte del grupo de neutrinos del CERN dedicado al estudio de nuevas tecnologías y herramientas para el estudio de neutrinos. Con vistas al futuro y de forma complementaria, existen otros proyectos a cuyo estudio dedico el tiempo que queda libre de lo anterior. Algunos ejemplos son el desarrollo de nuevas técnicas para la detección de neutrinos del Big Bang o el estudio de la conexión entre ciertos aspectos de las matemáticas que podrían ayudar a comprender mejor la física fundamental.
¿Qué ventajas tiene para usted trabajar en una entidad como el Instituto de Física Corpuscular de la Universidad de Valencia?
El Instituto de Física Corpuscular (IFIC) cuenta con recursos y con una larga y fructífera carrera en la investigación de neutrinos y en el experimento T2K. Por ello, es uno de los pocos sitios de España donde la investigación en física de neutrinos ocupa un papel relevante.
¿Cómo está alterando la crisis del coronavirus a las investigaciones en su ámbito?
En lo que a mí y a muchos de mis colegas concierne, esta nueva crisis no ha afectado en mucho el trabajo diario ya que no se necesita más que un papel, un bolígrafo y un ordenador. Cierto es que todos los experimentos, tanto en Japón, en Suiza o en EEUU, han frenado sus actividades, pero en su mayoría siguen en funcionamiento y tomando datos. Esta crisis, como otras antes, ha relegado la inversión en investigación fundamental, a un lugar aún más retrasado en la lista de prioridades. Esto se ve claramente en el parón en la gestión de becas y ayudas de las que no se sabe cuándo se reanudarán, si es que esto ocurre. Sin estas ayudas la investigación y la contratación de investigadores, en su mayoría contratados temporalmente, es imposible. Conseguir recursos para investigación siempre ha sido difícil, pero en estas situaciones más, lo cual no deja de ser frustrante y un intenso trabajo adicional.
¿Qué haría falta para superar los perjuicios de esta crisis en el ámbito de la investigación?
En general, los perjuicios de las crisis, no serían tales si la sociedad fuese consciente de la crucial importancia de la investigación, no sólo en términos económicos que también, sino en su papel fundamental para el avance de la sociedad y la búsqueda de respuesta a las preguntas fundamentales, satisfaciendo la curiosidad humana; eso que nos ha llevado tan lejos y que cada vez más lejos parece quedar.
