El experimento T2K observa un nuevo tipo de transformación del neutrino

La colaboración internacional T2K ha anunciado hoy en la conferencia de la Sociedad Europea de Física (EPS-HEP2013), celebrada en Estocolmo, la observación inequívoca de un nuevo fenómeno físico: la transformación de neutrinos de tipo muón en neutrinos de tipo electrón. La observación de este nuevo modo de oscilación del neutrino permitirá estudiar las diferencias entre materia y antimateria, claves para resolver uno de los misterios más importantes de la ciencia: ¿por qué el Universo está hecho de materia y no de antimateria? En T2K participan más de 400 físicos de 11 países, entre ellos España, representada por el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) y el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV).
En 2011, T2K presentó los primeros indicios de este nuevo modo de oscilación del neutrino, y ahora, con 3,5 veces más datos acumulados, el indicio ha dejado paso a la evidencia científica: la probabilidad de que el fenómeno observado sea fruto del azar (una fluctuación estadística) es menor que una en un billón. Así, T2K se convierte en el primer experimento en observar de forma explícita la aparición de neutrinos de diferente tipo a los producidos originalmente.
El experimento T2K consiste en un intenso haz de neutrinos de tipo muón y un complejo sistema de detectores que, situados a diferentes distancias, son capaces de medir la transformación en vuelo de los neutrinos iniciales. El haz de neutrinos se produce en el laboratorio J-PARC (Japan Proton Accelerator Complex), en Tokai (costa este de Honshu, la mayor isla de Japón). Las propiedades iniciales del haz se miden en varios detectores cercanos al punto de producción.
Tras recorrer 295 kilómetros, los neutrinos alcanzan la costa oeste de la isla y son detectados por Super-Kamiokande, un gigantesco detector de 50 kilotoneladas instalado a un kilómetro de profundidad en una antigua mina de zinc. El análisis de los datos recogidos por Super-Kamiokande muestra un número de neutrinos de tipo electrón (28 en total) muy superior al que se esperaría en ausencia del nuevo fenómeno de oscilación (4,6).

La oscilación del neutrino constituye la manifestación a nivel macroscópico de interferencias cuánticas causadas por la diferencia entre la masa entre los diferentes tipos de neutrinos. La observación de este nuevo modo de oscilación posibilita el estudio de otro fenómeno, todavía más relevante: la violación de la simetría carga-paridad (CP), responsable de los mecanismos que distinguen el comportamiento entre materia y antimateria.
La violación de la simetría CP, observada hasta la fecha solo en quarks (lo cual valió los premios Nobel de 1980 y 2008), se acepta hoy en día como la teoría más probable para explicar por qué el Universo actual está dominado por materia, con contribuciones insignificantes de antimateria. Este constituye uno de los misterios más excitantes de la ciencia, puesto que en el Big Bang debieron crearse en iguales cantidades.
Una vez que T2K ha establecido de forma concluyente la existencia de un nuevo modo de oscilación que es sensible a la violación de CP, la búsqueda de este fenómeno se convierte en uno de los objetivos científicos más relevantes de la década, y T2K está en posición de liderar la búsqueda. T2K espera recoger 10 veces más datos en los próximos años, incluyendo aquellos obtenidos con un haz de antineutrinos (la 'antimateria' del neutrino), para buscar diferencias en las oscilaciones de materia y antimateria que permitan medir la violación de la simetría CP.
Este descubrimiento ha sido posible gracias al esfuerzo del personal de J-PARC y de su dirección, que han procurado un haz de neutrinos intenso y de alta calidad a T2K, especialmente después del devastador terremoto de marzo de 2011, que causó severos daños al complejo de aceleradores de J-PARC y que interrumpió de forma brusca la toma de datos del experimento T2K.

Colaboración internacional con participación española

El experimento T2K ha sido construido y operado por una colaboración internacional compuesta por más de 400 físicos de 59 instituciones pertenecientes a 11 países (Alemania, Canadá, EEUU, España, Francia, Gran Bretaña, Italia, Japón, Polonia, Rusia y Suiza). España contribuye con dos grupos de investigación, el Institut de Fìsica d’Altes Energies (IFAE) en Barcelona y el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, centro mixto CSIC-Universitat de València) en Valencia, que han participado en el diseño, construcción y operación del experimento durante más de 10 años. Ambos grupos han realizado contribuciones muy relevantes al estudio de la oscilación del neutrino, con medidas en el detector de Tokai, el más cercano a la fuente, que mide las propiedades iniciales del haz de neutrinos. España ha financiado la actividad investigadora a través del Ministerio de Economía y Competitividad, la Generalitat de Catalunya y con el apoyo del Centro Nacional de Partículas Astropartículas y Nuclear (CPAN).

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