T2K
T2K — Tokai to Kamioka — es un experimento japonés que envía neutrinos a lo largo de 295 kilómetros a través de Honshū y observa por el camino cómo se transforman. Funciona desde 2010 y proporcionó en 2013 la primera prueba de que los neutrinos no solo desaparecen, sino que reaparecen en otra especie.
El dispositivo
En el centro de aceleradores J-PARC, en Tokai, en la costa este, unos protones chocan contra un blanco de grafito. Se originan piones, que son focalizados por cuernos magnéticos y liberan neutrinos muónicos en una sección de desintegración. Todo lo demás lo detiene un blindaje — el método que Melvin Schwartz propuso en 1960.
A 280 metros por detrás de la fuente se hallan dos detectores cercanos. INGRID está situado exactamente en el eje del haz y vigila su dirección y su intensidad. ND280 se encuentra de través junto a él, dentro de un imán procedente de un experimento del CERN dado de baja, y mide la composición y el espectro del haz antes de que la oscilación desempeñe papel alguno.
En el otro extremo, 295 kilómetros al oeste, se halla Super-Kamiokande y cuenta lo que llega.
El ardid de la mirada oblicua
T2K trabaja fuera de eje: el detector lejano no está en el eje del haz, sino 2,5 grados al lado.
Eso suena a inconveniente y es una ventaja. En el eje, el haz tiene un amplio espectro de energía, porque piones de energías distintas proporcionan neutrinos de velocidades distintas. Algo apartado de él, la cinemática de la desintegración hace que neutrinos procedentes de energías de pión muy diferentes tengan casi la misma energía. El haz se vuelve estrecho y se fija en torno a 600 megaelectronvoltios.
No es un valor cualquiera. A 295 kilómetros, la oscilación de neutrinos tiene precisamente allí su máximo.
Se pierde, pues, intensidad y se gana nitidez. Para una medida que se basa en la dependencia de la energía, ese es el mejor trato — y el mismo ardid se emplea hoy en NOvA y en Hyper-Kamiokande.
La aparición de neutrinos electrónicos
Hasta entonces la oscilación se había medido siempre por la desaparición: se envían neutrinos muónicos y se cuenta cuántos faltan. Adónde van, no se veía.
T2K buscó a la inversa neutrinos electrónicos en el haz, allí donde en realidad no debería haber ninguno. En 2011 la colaboración comunicó seis candidatos — demasiado pocos para una afirmación, suficientes para atraer la atención. En 2013 había 28, con un fondo esperado de algo menos de cinco. La significación alcanzó 7,3 desviaciones estándar.
Con ello quedaba demostrada directamente la transición νμ → νe, y confirmado el ángulo de mezcla θ₁₃ como distinto de cero — poco después de que Daya Bay lo hubiera determinado a partir de medidas en reactores.
Que este ángulo no sea nulo era la condición previa de todo lo demás. Si hubiera sido nulo, la violación de CP en el sector leptónico no podría medirse en absoluto.
El indicio de violación de CP
T2K puede invertir la polaridad de sus cuernos magnéticos y producir antineutrinos en lugar de neutrinos. Con ello puede preguntarse: ¿se transforman ambos con la misma frecuencia?
En 2020 la colaboración informó en Nature de que los datos concuerdan mejor con una diferencia acusada. Se excluyó una gran parte del rango de valores posible para el parámetro δ_CP, y el caso «no hay violación de CP» quedaba fuera del intervalo del 95 por ciento.
Eso es un indicio, no una prueba. En física de partículas solo se habla de descubrimiento a partir de cinco desviaciones estándar. Para ello hacen falta Hyper-Kamiokande y DUNE — entre otras razones por eso están ambos en construcción.
Por qué esto va más allá de la física
La pregunta que hay detrás de la violación de CP es la de nuestra existencia. En el Big Bang, materia y antimateria deberían haberse originado en igual cantidad. Que quedara materia exige una diferencia en el comportamiento de ambas.
En el sector de los quarks se conoce una diferencia así, pero es demasiado pequeña en varios órdenes de magnitud. Quedan los neutrinos — y, a través del mecanismo seesaw y de la leptogénesis, una vía posible del sector leptónico a la materia en el universo.
T2K ha proporcionado el primer indicio de que esa vía podría ser transitable.
Términos relacionados
- Super-Kamiokande — el detector de destino
- Hyper-Kamiokande — el sucesor
- Daya Bay — la medida paralela de θ₁₃
- Matriz PMNS — dónde figura δ_CP
Fuentes
- Colaboración T2K: Observation of Electron Neutrino Appearance in a Muon Neutrino Beam, Physical Review Letters 112, 061802 (2014).
- Colaboración T2K: Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations, Nature 580, 339 (2020).