T2K, a long-baseline neutrino oscillation experiment in Japan, has recently reported an observation where they have detected a strong evidence of a difference between fundamental physical properties of neutrinos and that of the corresponding antimatter counterpart, anti-neutrinos. This observation hints at explaining one of the biggest mysteries of science – an explanation for the domination of matter in the Universo over antimatter, and thus our very existence.
The matter-antimatter asymmetry of the Universo
According to the theory of Cosmology, particles and their antiparticles were produced in pairs from radiation during Big-Bang. Antiparticles are antimatters having nearly same physical properties as their matter counterparts i.e. particles, except for electric charge and magnetic properties that are reversed. However, the Universo exists and is made up of only matter indicates that some matter-antimatter symmetry was broken during the course of Big-Bang, because of which the pairs could not annihilate completely producing radiation again. Physicists are still looking for signatures of CP-symmetry violation, which in turn can explain the broken matter-antimatter symmetry in the early Universo.
La simetría CP es el producto de dos simetrías diferentes: carga-conjugación (C) y paridad-inversión (P). La conjugación de carga C cuando se aplica sobre una partícula cargada cambia el signo de su carga, por lo que una partícula cargada positivamente se vuelve cargada negativamente y viceversa. Las partículas neutras permanecen sin cambios bajo la acción de C. La simetría de inversión de paridad invierte las coordenadas espaciales de la partícula sobre la que está actuando, por lo que una partícula derecha se vuelve izquierda, similar a lo que sucede cuando uno se para frente a un espejo. Finalmente, cuando CP actúa sobre una partícula derecha cargada negativamente, se convierte en una partícula izquierda cargada positivamente, que es la antipartícula. Por lo tanto, la materia y la antimateria están relacionadas entre sí a través de la simetría CP. Por lo tanto, CP debe haber sido violado para generar el observado asimetría materia-antimateria, que fue señalado por primera vez por Sajarov en 1967 (1).
Since gravitational, electromagnetic as well as strong interactions are invariant under CP-symmetry, the only place to look for CP-violation in Nature is in case of quarks and/or leptons, that interact through weak interaction. Until now, CP-violation has been measured experimentally in the quark-sector, however, it is too small to generate the estimated asymmetry of the Universo. Hence understanding the CP-violation in the lepton-sector is of special interest to the Physicists to understand the existence of the Universo. The CP-violation in the lepton-sector can be used to explain the matter-antimatter asymmetry through a process called leptogenesis (2).
¿Por qué son importantes los neutrinos?
Neutrinos Son las partículas más pequeñas y masivas de la Naturaleza con carga eléctrica cero. Al ser eléctricamente neutro, neutrinos no pueden tener interacciones electromagnéticas y tampoco tienen interacciones fuertes. Los neutrinos tienen masas diminutas del orden de 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), por lo que la interacción gravitacional también es muy débil. La única forma neutrinos Puede interactuar con otras partículas a través de interacciones débiles de corto alcance.
Esta propiedad de interacción débil del neutrinos, sin embargo, los convierte en una sonda interesante para estudiar objetos astrofísicos lejanos. Si bien incluso los fotones pueden ser oscurecidos, difundidos y dispersados por el polvo, las partículas de gas y las radiaciones de fondo presentes en el medio interestelar, neutrinos pueden pasar prácticamente sin obstáculos y llegar a los detectores terrestres. En el contexto actual, al tener una interacción débil, el sector de neutrinos puede ser un candidato viable para contribuir a la violación del CP.
Oscilación de neutrinos y violación de CP
Hay tres tipos de neutrinos (𝜈) - 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 y 𝜈𝜏 – uno asociado a cada leptón con sabores electrón (e), muón (𝜇) y tau (𝜏). Los neutrinos se producen y detectan como estados propios de sabor a través de interacciones débiles en asociación con el leptón cargado del sabor correspondiente, mientras se propagan como estados con masas definidas, llamados estados propios de masa. Por lo tanto, un haz de neutrinos de sabor definido en la fuente se convierte en una mezcla de los tres sabores diferentes en el punto de detección después de viajar a través de una longitud de camino; la proporción de diferentes estados de sabor depende de los parámetros del sistema. ¡Este fenómeno se conoce como oscilación de neutrinos y hace que estas pequeñas partículas sean muy especiales!
Teóricamente, cada uno de los estados propios de sabor de neutrinos se puede expresar como una combinación lineal de los tres estados propios de masa y viceversa, y la mezcla se puede describir mediante una matriz unitaria llamada matriz Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) (3,4 , 3). Esta matriz de mezcla unitaria tridimensional se puede parametrizar mediante tres ángulos de mezcla y fases complejas. De estas fases complejas, la oscilación de neutrinos es sensible a una sola fase, llamada 𝛿𝐶𝑃, y es la única fuente de violación de CP en el sector de leptones. 𝛿𝐶𝑃 puede tomar cualquier valor en el rango de −180 ° y 180 °. Mientras 𝛿𝐶𝑃= 0, ± 180 ° significa que los neutrinos y antineutrinos se comportan de manera idéntica y la PC se conserva, 𝛿𝐶𝑃= ± 90 ° indica una violación máxima de CP en el sector de leptones del modelo estándar. Cualquier valor intermedio es indicativo de violación de CP en diferentes grados. Por lo tanto, la medición de 𝛿𝐶𝑃 es uno de los objetivos más importantes de la comunidad de la física de neutrinos.
Medida de los parámetros de oscilación
Los neutrinos se producen en abundancia durante reacciones nucleares, como las del Sol, otras estrellas y supernovas. También se producen en la atmósfera de la Tierra a través de la interacción de los rayos cósmicos de alta energía con los núcleos atómicos. Para tener una idea del flujo de neutrinos, cada segundo nos atraviesan unos 100 billones. Pero ni siquiera nos damos cuenta ya que están interactuando muy débilmente. ¡Esto hace que la medición de las propiedades de los neutrinos durante los experimentos de oscilación de neutrinos sea un trabajo realmente desafiante!
Para medir estas escurridizas partículas, los detectores de neutrinos son grandes, tienen kilo-toneladas de masa y los experimentos tardan varios años en lograr resultados estadísticamente significativos. Debido a sus interacciones débiles, los científicos tardaron unos 25 años en detectar el primer neutrino experimentalmente después de que Pauli postulara su presencia en 1932 para explicar la conservación de energía-momento en la desintegración beta nuclear (que se muestra en la figura (5)).
Los científicos han medido los tres ángulos de mezcla con más del 90% de precisión y un 99.73% (3𝜎) de confianza (6). Dos de los ángulos de mezcla son grandes para explicar las oscilaciones de los neutrinos solares y atmosféricos, el tercer ángulo (llamado 𝜃13) es pequeño, el valor de mejor ajuste es de aproximadamente 8.6 °, y se midió experimentalmente solo recientemente en 2011 mediante el experimento de neutrinos del reactor Daya-Bay en China. En la matriz PMNS, la fase 𝛿𝐶𝑃 aparece solo en la combinación sin𝜃13𝑒± 𝑖𝛿𝐶𝑃, haciendo una medición experimental de 𝛿𝐶𝑃 difícil.
El parámetro que cuantifica la cantidad de CP-violación tanto en quark como en sectores de neutrinos se llama invariante de Jarlskog 𝐽𝐶𝑃 (7), que es una función de los ángulos de mezcla y la fase de violación de CP. Para el sector de quarks 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , mientras que para el sector de neutrinos 𝐽𝐶𝑃~ 0.033 pecado𝛿𝐶𝑃, y por lo tanto puede ser hasta tres órdenes de magnitud mayor que 𝐽𝐶𝑃 en el sector de quarks, dependiendo del valor de 𝛿𝐶𝑃.
Resultado de T2K: una pista para resolver el misterio de la asimetría materia-antimateria
En el experimento de oscilación de neutrinos de línea de base larga T2K (Tokai-to-Kamioka en Japón), se generan haces de neutrinos o antineutrinos en el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (J-PARC) y se detectan en el detector Water-Cerenkov en Super-Kamiokande, después de viajar 295 km de distancia a través de la Tierra. Dado que este acelerador puede producir haces de 𝜈𝜇 o su antipartícula 𝜈̅𝜇, y el detector puede detectar 𝜈𝜇, 𝜈𝑒 y sus antipartículas 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, tienen resultados de cuatro procesos de oscilación diferentes y pueden realizar el análisis para obtener límites eficientes en los parámetros de oscilación. Sin embargo, la fase de infracción del CP 𝛿𝐶𝑃 aparece solo en el proceso cuando los neutrinos cambian de sabor, es decir, en las oscilaciones 𝜈𝜇 → 𝜈𝑒 y 𝜈̅𝜇 → 𝜈̅𝑒; cualquier diferencia en estos dos procesos implicaría una violación de CP en el sector de leptones.
En una comunicación reciente, la colaboración de T2K ha informado límites interesantes sobre la violación de CP en el sector de neutrinos, analizando los datos recopilados durante 2009 y 2018 (8). Este nuevo resultado descartó alrededor del 42% de todos los valores posibles de 𝛿𝐶𝑃. Más importante aún, el caso en el que se conserva la PC se ha descartado con una confianza del 95% y, al mismo tiempo, la violación máxima de la PC parece ser la preferida en la naturaleza.
In the field of high-energy physics, a 5𝜎 (i.e. 99.999%) confidence is required for claiming a new discovery, therefore next generation experiments are required to get sufficient statistics and higher precision for the discovery of the CP-violating phase. However recent T2K result is a significant development towards our understanding of the matter-antimatter asymmetry of the Universo through the CP-violation in the neutrino-sector, for the first time.
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Referencias:
1. Sakharov, Andrei D., 1991. "Violación de la invariancia CP, asimetría C y asimetría bariónica del universo". Física soviética Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Una introducción a la leptogénesis y las propiedades de los neutrinos. Contemporary Physics Volumen 53, 2012 - Número 4 Páginas 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. y Sakata S., 1962. Observaciones sobre el modelo unificado de partículas elementales. Progreso de la física teórica, volumen 28, número 5, noviembre de 1962, páginas 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. PROCESOS BETA INVERSOS Y NO CONSERVACIÓN DE CARGA LEPTON. Journal of Experimental and Theoretical Physics (URSS) 34, 247-249 (enero de 1958). Disponible en linea http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Consultado el 23 de abril de 2020.
5. Carga inductiva, 2007. Beta-minus Decay. [imagen en línea] Disponible en https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Consultado el 23 de abril de 2020.
6. Tanabashi M., et al. (Grupo de datos de partículas), 2018. Masas de neutrinos, mezcla y oscilaciones, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) y actualización de 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog responde. física Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Restricción en la fase de violación de la simetría materia-antimateria en las oscilaciones de neutrinos. Nature, volumen 580, páginas 339–344 (2020). Publicado: 15 de abril de 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
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