fermilabEl detector de Soudan: los neutrinos tardan 2,5 milisegundos en viajar desde Illinois hasta la caverna de Minnesotafermilab
La edición del 8 de julio pasado de la prestigiosa revista científica Physical Reviews Letters (PRL) incluyó un artículo polémico para la comunidad de los físicos de partículas. Un trabajo realizado en el Fermilab por un equipo internacional de investigadores, entre los cuales había cuatro brasileños, aportaba indicios de que los neutrinos del muón y sus respectivos antineutrinos podrían no comportarse exactamente de la misma manera e incluso exhibir masas distintas. El estudio señalaba que quizá las diferencias entre la materia y la antimateria fuesen mayores de lo que postula el modelo patrón, el marco teórico erigido durante los últimos 50 años para explicar las interacciones entre las partículas subatómicas, los bloques que componen la materia. Se trataba de un resultado sorprendente, basado en el análisis de informes preliminares obtenidos hasta junio de 2010 por el experimento Minos (Main Injector Neutrino Oscillation Search), uno de los proyectos científicos llevados adelante por el laboratorio americano, situado en Batavia, en las cercanías de Chicago. El contenido del artículo, aparentemente en desacuerdo con algunas leyes de la física, según sus propios autores, debe interpretarse con cautela. Al fin y al cabo, existía un 2% de probabilidades que los inusitados datos iniciales del Minos se originaran en una fluctuación estadística momentánea y no reflejaran la realidad de neutrinos y antineutrinos.
Sin embargo, el 25 de agosto, luego de casi duplicar la cantidad de información procesada por el experimento en relación con los datos del artículo en la PRL, el Fermilab divulgó un comunicado al público. “Mediciones más específicas nos revelan que, muy probablemente, estas partículas y sus antipartículas no sean tan diferentes como hemos indicado anteriormente. Dentro de nuestro actual campo de visión, ahora parece que el Universo se está comportando de la manera en que la mayoría de las gente piensa que se comporta”, dijo Rob Plunkett, científico del Fermilab y uno de los portavoces del Minos, en una nota para la prensa. Según el estudio publicado en la PRL, refrendado por el tradicional proceso de revisión por pares (peer review) antes de ser aceptado, el cuadrado de la masa de los antineutrinos (los investigadores utilizan como parámetro de comparación el valor de la masa elevada al cuadrado, y no solamente la medida de la masa) parecía ser alrededor de un 40% mayor que la de los neutrinos. “Pasamos casi un año intentando hallar algún efecto de instrumentación que pudiera haber ocasionado esa diferencia. Resulta reconfortante saber que la estadística era la culpable”, afirmó otra portavoz del experimento, la física Jenny Thomas, de la University College London. Según los nuevos informes revisados internamente por los investigadores del Fermilab al final del mes pasado, que todavía no han sido sometidos al análisis de una revista con peer review, esa diferencia se redujo actualmente a un 16%. Existe, por lo tanto, una gran probabilidad de que las masas de neutrinos y antineutrinos sean iguales, tal como sostienen los modelos físicos actualmente aceptados.
Uno de los participantes del Minos, el físico brasileño Carlos Escobar, explica que la revisión de los resultados del experimento fue dirigida de manera tal que evitara cualquier tipo de análisis erróneo. “Todo fue realizado a ciegas y de manera automatizada”, afirma Escobar, actualmente profesor colaborador de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) e investigador del Fermilab. “Los datos son excelentes”. No obstante, Escobar admite que el nuevo escenario aportó alivio a los físicos. “La comunidad científica se ha tranquilizado”, dice Escobar. Varios experimentos nacionales e internacionales que trabajan con partículas y antipartículas presuponen que los neutrinos y antineutrinos cuentan con la misma masa para la realización de sus cálculos. Cuando aparece un estudio que contradice tal precepto, como es el caso del artículo de Minos en la PRL, algún pilar de la física puede tambalear.
Desaparición y oscilación
El objetivo del proyecto del Fermilab es comparar la ocurrencia de un fenómeno conocido con el nombre de oscilación en neutrinos y antineutrinos del muón. En la jerga de los físicos, cuando un tipo de neutrino o antineutrino se transforma en otro al desplazarse, ocurre una oscilación. Existen tres formas o sabores de neutrinos y antineutrinos: los del muón, los del tau y los del electrón. Ese trío de partículas con carga eléctrica se denominan genéricamente como leptones (los neutrinos son leptones neutros). En el Minos, los científicos compararon la frecuencia con que los neutrinos y los antineutrinos del muón desaparecieron y, supuestamente, se transformaron en neutrinos y antineutrinos del tau. “Es la primera vez que algún grupo de investigación mide la oscilación de antineutrinos del muón”, dice Philippe Gouffon, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), quien también participa del experimento realizado en Estados Unidos.
Conceptualmente, la antimateria se define como una especie de copia de la materia, con la cual divide básicamente las mismas propiedades, incluso la masa. Pero existe una diferencia fundamental entre ambas: las antipartículas que conforman la antimateria exhiben una carga eléctrica con signo invertido en relación con sus respectivas partículas de materia. Con una carga positiva, el positrón es la antipartícula del electrón, cuya carga es negativa. Tal como su nombre lo indica, neutrinos y antineutrinos son eléctricamente neutros. Sin embargo, los primeros se encuentran relacionados con los leptones de carga negativa y los segundos, con los de carga positiva. Los físicos consideran que materia y antimateria existen en la misma proporción en el Universo, aunque la cantidad detectada de ambas esté lejos de ser la misma. De una manera grosera, es en este contexto teórico que los físicos estudian las propiedades de neutrinos y antineutrinos.
Aunque se los considera las segundas partículas más abundantes del universo, solamente por detrás de los fotones (partículas de luz), los neutrinos resultan virtualmente imperceptibles. No poseen carga eléctrica, cuentan con una masa prácticamente despreciable, se desplazan a una velocidad muy próxima a la de la luz y prácticamente no interactúan con la materia. Son capaces, simplemente, de atravesar cuerpos enormes, tales como el planeta Tierra, sin alterar su trayectoria ni sufrir ningún efecto perceptible. El Big Bang, la explosión primigenia que, según la teoría más aceptada, originó el Universo hace algo menos de 14 mil millones de años, habría constituido la principal fuente de neutrinos. La actividad solar y los rayos cósmicos son las más conocidas fuentes naturales de neutrinos, que se forman a partir de procesos tales como el decaimiento radiactivo (cuando el núcleo de un átomo estable pierde espontáneamente energía y emite partículas ionizadas) y las reacciones nucleares.
Ruido e información
La comparación de parámetros entre partículas y antipartículas sólo fue posible porque el experimento del Fermilab constituye uno de los pocos en el mundo, junto con el T2K (Tokai to Kamioka) en Japón, capaz de producir haces específicos, constituidos solamente por neutrinos o antineutrinos, con niveles mínimos de contaminación. La mayoría de las iniciativas científicas trabaja con haces que son una mezcla de partículas y antipartículas, una limitación que dificulta la obtención de datos específicos al respecto del fenómeno de la oscilación. “La producción de un sistema que genere partículas en cantidad suficiente como para separar el ruido de la información constituye una de nuestras grandes dificultades”, explica el físico João Coelho, alumno de doctorado de la Unicamp, quien pasó un año en el Fermilab merced a una beca otorgada por la FAPESP.
La primera etapa del experimento Minos consiste en generar las partículas que los físicos pretenden estudiar. A tal efecto, el Main Injector — un anillo de 3,2 kilómetros de circunferencia que forma uno de los seis aceleradores de partículas del Fermilab — produce un pulso de protones de alta energía destinado a chocar contra un blanco de grafito. La colisión produce el surgimiento de partículas inestables, piones y kaones, que generarán muones y neutrinos. A continuación, el haz es dirigido hacia una pared que filtra sus impurezas. Se separan muones y otras partículas indeseables y permanecen solamente los neutrinos del muón.
La segunda parte del experimento constituye el corazón del Minos. El haz de neutrinos purificado es orientado hacia dos detectores subterráneos: el primero, a un kilómetro de distancia del Fermilab, y el segundo, distante a 735 kilómetros, en la mina desactivada de Soudan, en el estado de Minnesota. El detector más cercano, que fue montado a algo más de 100 metros por debajo del Fermilab y pesa mil toneladas, chequea la pureza y la intensidad del haz. Sus mediciones sirven para suministrar las características principales del pulso. El detector más lejano pesa 6 mil toneladas y se encuentra enterrado a 716 metros debajo de la superficie en una caverna. Apenas 2,5 milisegundos después de salir del Fermilab, el haz de neutrinos es detectado en Soudan. “Las oscilaciones de los neutrinos ocurren durante el recorrido realizado por las partículas entre el primero y el segundo detector”, explica el físico Ricardo Gomes, de la Universidad Federal de Goiás, quien también participa del Minos.
Al medir por primera vez la desaparición de antineutrinos del muón, los científicos del Fermilab descubrieron inicialmente que las oscilaciones de esas antipartículas y de sus partículas podían ser distintas, tal como se insinúa en el artículo de la PRL. Actualmente, con mayores datos analizados, el equipo del Minos considera que ese parámetro es equivalente para neutrinos y antineutrinos. “La física es una ciencia esencialmente experimental”, comenta Marcelo Guzzo, físico teórico de la Unicamp que estudia los neutrinos. “Cualquier resultado deben confirmarlo varios grupos antes de constituir una expresión definitiva”, dice Orlando Peres, otro experto en el tema, también de la Unicamp. Según la física Renata Zukanovich Funchal, de la USP, las fluctuaciones estadísticas resultan frecuentes en los experimentos con altas energías: “Por ello debemos ser cautelosos cuando conseguimos resultados que no logramos comprender”.
Adamson, P. et al. First direct observation of muon antineutrino disappearance. Physical Review Letters. v. 10 (2), p. 021801-5. 5 jul. 2011.
