El Big Bang creó cantidades iguales de materia y antimateria. Entonces, ¿por qué hay mucha más materia que antimateria en el Universo? El Irfu participa en la preparación de Hyper-Kamiokande, un experimento de oscilaciones de neutrinos producidos por acelerador, que podría aclarar este misterio.
El universo está lleno de materia, mientras que la antimateria es muy escasa. El predominio de la materia permitió que se formaran y existieran estructuras complejas, como las galaxias, las estrellas, los planetas y finalmente nosotros, tal como las observamos hoy. El Big Bang creó la misma cantidad de materia y antimateria: por lo tanto, cada partícula debería haberse aniquilado con una antipartícula correspondiente para llenar el Universo de luz (fotones) y nada más.
Figura 1: ¿Se rompe la simetría entre las oscilaciones de neutrinos y antineutrinos?
Crédito: APS/Carin Cain Se necesita una pequeña asimetría entre la materia y la antimateria para evitar este fin catastrófico. Una partícula muy enigmática, el neutrino, podría tener la clave de este misterio.
El neutrino es la partícula menos conocida del modelo estándar. Una de las pocas cosas que sabemos sobre él es que los neutrinos deben existir en forma de al menos tres sabores (electrón, muón y tau) y que estos estados "oscilan" cuando los neutrinos se propagan en el espacio y el tiempo. Más precisamente, los neutrinos se crean en las interacciones de las otras partículas del modelo estándar en un estado de sabor definido, pero se propagan en estados de masa definidos, que corresponden a combinaciones lineales (superposiciones cuánticas) de estados de sabor.
En consecuencia, un neutrino de energía dada creado en un estado de sabor dado tiene una probabilidad bien definida de ser detectado en un estado de sabor diferente después de haber recorrido una distancia dada. Este fenómeno solo es posible si los neutrinos son partículas masivas, a diferencia de lo que predice el modelo estándar.
De manera muy interesante, este fenómeno abre la posibilidad a una nueva fuente de asimetría materia-antimateria en el Universo: si los neutrinos y los antineutrinos (sus antipartículas) oscilan de manera diferente, podrían haber jugado un papel crucial en el mecanismo que originó la fuerte predominancia de la materia en el Universo.
De T2K a Hyper-Kamiokande
Las oscilaciones de neutrinos fueron descubiertas a finales de los años 90 y premiadas con el Premio Nobel de Física en 2015. Desde entonces, las oscilaciones han sido estudiadas en el marco de diversos experimentos, explotando especialmente los neutrinos producidos por los rayos cósmicos, el Sol, los reactores nucleares y los aceleradores de partículas. Estos últimos tienen la capacidad única de producir un haz de neutrinos o antineutrinos de sabor y energía optimizadas en la dirección deseada.
Figura 2: Vista esquemática del detector lejano Hyper-Kamiokande en construcción en Japón.
Crédito: Hyper-K collaboration Un conjunto de detectores, situados cerca de la fuente de neutrinos, se utiliza para caracterizar la cantidad de neutrinos producidos y su probabilidad de interactuar con la materia. Un gran detector "lejano" intercepta los neutrinos a cientos de kilómetros de la fuente para medir la probabilidad de oscilación de un sabor a otro. Este enfoque es hoy explotado por
el experimento Tokai To Kamioka (T2K), en Japón, al que el Irfu aporta contribuciones cruciales.
T2K funcionará hasta 2027, fecha en la que su sucesor, HyperKamiokande (HK), tomará el relevo. HK dispondrá de un haz de neutrinos más de dos veces más intenso y de un detector lejano más de ocho veces más grande que el de T2K. HK heredará el
detector cercano de T2K (ND280), recientemente mejorado.
Gracias al aumento considerable de la estadística de neutrinos producidos y detectados, HK estará en condiciones de descubrir la asimetría posible entre la oscilación de los neutrinos y los antineutrinos, y de aportar nuevas respuestas al gran misterio de la asimetría materia-antimateria en el Universo.
Hyper-Kamiokande@Irfu
El Irfu está a la vanguardia de este esfuerzo experimental mayor y ya ha jugado un papel principal en el rediseño del detector ND280. El instituto contribuye ahora a la construcción del nuevo detector lejano de HK. Los grandes desafíos para este nuevo detector están relacionados con su tamaño: un tanque cilíndrico de 72 m de altura y 68 m de diámetro que contiene 260 kilotoneladas de agua (ver figura 2), donde la luz Cherenkov producida por las partículas cargadas resultantes de las interacciones de neutrinos será recogida por alrededor de 13 000 tubos fotomultiplicadores (PMT). Las señales de los PMT serán leídas por más de un millar de tarjetas electrónicas.
Figura 3: prototipo del módulo electrónico desarrollado en el Irfu para la primera etapa de la distribución del reloj del detector lejano de HK. El módulo cuenta con 32 puertos ópticos y ha sido optimizado para una latencia determinista de baja inestabilidad (algunos picosegundos). Para permitir medidas precisas de las oscilaciones, todas las unidades de lectura de este gigantesco detector deben estar correctamente sincronizadas en el tiempo e intercalibradas en energía para garantizar la uniformidad de su respuesta. El Irfu está en el corazón de estos desafíos y desarrolla especialmente un nuevo módulo electrónico para el sistema de distribución del reloj a las miles de unidades de lectura. El Irfu apoya también, a través de su antena en el CERN, el desarrollo del banco de pruebas que servirá para calibrar con precisión las unidades electrónicas de lectura y asegurar que satisfacen las especificaciones.
Para medir el desafío tecnológico al que nos enfrentamos, mencionemos que debemos asegurar una precisión en la escala de energía de los neutrinos del orden de 0,5 %, lo que induce un requisito de 0,1 % sobre el calibrado de la linealidad de carga de las tarjetas electrónicas de lectura.
Además, para asegurar una resolución espacial mejor que 15 cm para trayectorias de luz Cherenkov de 100 metros, debe implementarse un sistema de distribución capaz de enviar un reloj con una estabilidad temporal mejor que 100 ps a 13 000 PMT repartidos sobre una superficie cilíndrica de más de 15 000 metros cuadrados. Para este fin, se implementa un enfoque en varias etapas y el Irfu desarrolla la primera etapa de este sistema: el nuevo módulo electrónico ilustrado en la figura 3 presenta una inestabilidad aleatoria (determinista) inferior a 4ps (2ps).
Figura 4: el detector Hyper-Kamiokande será colocado a 600 m bajo tierra en la mina de Kamioka en Hida City, Gifu, donde la caverna más grande jamás excavada por el hombre está siendo excavada (a la izquierda). Los PMT están siendo suministrados y probados antes de su instalación (a la derecha).
La construcción del detector HK está en curso. Como muestra la figura 4, la excavación de la caverna y la compra de PMT están muy avanzadas. La fase de toma de datos debería comenzar a principios del año 2028.
La sensibilidad de Hyper-Kamiokande a la asimetría de oscilación entre neutrinos y antineutrinos
El Irfu conduce también el principal esfuerzo de análisis destinado a estimar con precisión la sensibilidad del experimento HK para las medidas de oscilación y, en particular, para el descubrimiento de una posible asimetría entre la oscilación de los neutrinos y los antineutrinos. (ver figura 5).
Los resultados recientes de T2K indican una asimetría neutrino-antineutrino muy grande, en cuyo caso HK puede concluir definitivamente sobre la existencia de esta asimetría en aproximadamente 2 años de toma de datos (a 5 desviaciones estándar). En la figura 5, el impacto de las incertidumbres sistemáticas sobre las medidas de oscilación es también estimado, cuantificando el papel crucial del detector cercano ND280 para permitir un descubrimiento tan importante.
En efecto, para medir con precisión las oscilaciones de neutrinos, es necesario modelizar correctamente la probabilidad de interacción de los neutrinos con la materia en el detector. El Irfu ha participado ampliamente en el desarrollo de modelos de física nuclear para las interacciones de neutrinos y es un contribuyente principal a sus medidas directas con los datos de ND280.
Figura 5: a la izquierda, potencial de descubrimiento (en número de desviaciones estándar) para la asimetría entre la oscilación de los neutrinos y los antineutrinos en función del número de años de toma de datos en HK. Se prueban dos valores diferentes del parámetro δCP, que parametriza la asimetría: -90° corresponde a la asimetría máxima, como indican los resultados preliminares de T2K, -45° corresponde a una asimetría del 50 %. A la derecha, fracción de los valores del parámetro δCP para los cuales HK puede descubrir la asimetría a 5 (o 3) desviaciones estándar, en función del número de años de toma de datos.
En resumen, el Irfu, gracias a su contribución crucial al detector cercano y al detector lejano de HK, su experiencia única en física nuclear y su papel principal en el análisis de la oscilación de los neutrinos, será un actor esencial de los futuros descubrimientos de HK.
Fuente: CEA IRFU