Superposición cuántica y oscilaciones de partículas neutras - Mariam Tórtola Baixauli

Superposición cuántica y oscilaciones de partículas neutras.

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Sin duda, una de las concepciones más popularmente ligadas a la Mecánica Cuántica tiene que ver con la incertidumbre que ésta plantea en comparación con la formulación determinista de la física clásica¹. El famoso principio de indeterminación de Heisenberg nos dice que no podemos conocer con precisión arbitraria dos variables que caracterizan el movimiento de una partícula como son su momento lineal (esencialmente su velocidad) y su posición, sino que existe una relación entre las incertidumbres asociadas a ambas magnitudes. Este principio se generaliza en una limitación que se aplica a la medida de diferentes pares de magnitudes o propiedades observables de un sistema físico. Solo en algunos casos sí será posible conocer propiedades con precisión de forma simultánea. El origen de todo esto se encuentra en el problema de la medida en la Mecánica Cuántica, que establece una conexión entre el estado en el que se encuentra el sistema cuántico y lo que observamos de él. Esta relación es diferente a la existente en la física clásica y por eso nos conduce a situaciones aparentemente paradójicas, como que un sistema no tendría definida una propiedad hasta que no la medimos. Esta visión ha dado lugar a una gran confusión dado que la influencia de la medida puede llevar a pensar en la imposibilidad de una ciencia objetiva, sin la intervención del observador. Se trata de ideas que aun hoy en día suscitan diversidad de opiniones y que, en muchos casos, la comunidad científica ha preferido evitar y centrarse en el famoso “cállate y calcula” de David Mermin, aunque atribuido erróneamente a Richard Feynman [1]. En este artículo seguiremos esta máxima de Mermin y, dejando de lado los aspectos epistemológicos de Mecánica Cuántica y sus interpretaciones, nos centraremos en una de sus consecuencias: la oscilación de partículas neutras.

Uno de los principios fundamentales de la Mecánica Cuántica consiste en la interpretación del estado de un sistema físico como superposición de estados con propiedades definidas. Si un cierto sistema puede encontrarse en diferentes estados en los que alguna o varias de sus magnitudes físicas toman un valor distinto, hasta el momento en que efectuemos una medida sobre él no podremos saber en cuál de entre todos los estados posibles se encuentra y, por lo tanto, se encontraría potencialmente en todos los estados simultáneamente. Expresado en términos probabilísticos, existirá una cierta probabilidad de que el sistema se encuentre en una de las posibles configuraciones y, en consecuencia, la medida de una de sus propiedades tendría diferentes resultados posibles, cada uno con una probabilidad asignada. De forma equivalente, podría decirse que, en el estado inicial, esta magnitud física no estaría definida, pues una observación o medida podría arrojar diferentes valores. Así, nos encontraríamos con estados de un sistema que no tendrían bien establecidas ciertas magnitudes (estarían formados por superposiciones cuánticas de estados con valores diferentes de las mismas) pero sí podrían tener asignado un valor preciso de otro observable, lo cual nos llevaría de nuevo al principio de incertidumbre de Heisenberg, tal y como hemos descrito al inicio. Ciertas parejas de magnitudes podrían estar bien definidas simultáneamente, mientras que no sería posible para otros pares de observables, que solo podríamos medir con una cierta incertidumbre. Sin embargo, la consecuencia más interesante de la superposición sería que, bajo ciertas condiciones, las propiedades iniciales del sistema podrían cambiar (oscilar entre los diferentes valores posibles) debido únicamente a la existencia de los estados de superposición cuántica. El ejemplo más notable de esta situación es la oscilación de partículas neutras, como los kaones neutros o los neutrinos. En los dos casos se trata de resultados muy relevantes, que han llevado a establecer los fundamentos del Modelo Estándar de Física de Partículas, por un lado, y a la primera evidencia de física más allá del Modelo Estándar, por el otro.

 

Oscilaciones de kaones neutros.

Los kaones son partículas formadas por dos quarks², que son los constituyentes elementales de los que están compuestos también el protón y el neutrón, y fueron descubiertos en 1947 estudiando los rayos cósmicos [2]. Se trata de las primeras partículas conocidas que contienen un nuevo quark, el quark s, al cual se asocia un nuevo número cuántico, la extrañeza. En el caso de los kaones neutros, K⁰ y anti-K⁰, el primero de ellos está formado por un quark d y un antiquark s, mientras que el segundo se compone de un antiquark d y un quark s, de forma que se trata de estados que tienen bien definido el número cuántico extrañeza: s(K⁰) = +1 y s(anti-K⁰) = -1.

Los mesones K⁰ y anti-K⁰ se producen en procesos mediados por la interacción fuerte, que conserva extrañeza y, por tanto, si las partículas iniciales no contienen quarks s, las partículas con extrañeza han de producirse por pares que compensen la falta de extrañeza del estado inicial. Las masas de K⁰ y anti-K⁰, calculadas por conservación de la energía en su proceso de producción, son iguales y del orden de 1000 veces la masa del electrón. Sabemos también que se trata de partículas inestables y que su desintegración, sin embargo, ocurre por procesos de interacción débil, que no conserva extrañeza³. Esto quiere decir que, a efectos de la interacción débil, K⁰ y anti-K⁰ son partículas idénticas, ya que la única propiedad que las distingue es irrelevante para este tipo de procesos. Así, la interacción débil puede transformar un tipo de kaón neutro en el otro, dando lugar a la oscilación de los kaones neutros, representada en la Fig. 1. En este diagrama, W es una de las partículas mediadoras de la interacción débil y (u, c, t)⁴ son los quarks que podrían producirse en el proceso debido a la mezcla entre quarks. Esta mezcla, parametrizada a través de la matriz de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa [3], surge como consecuencia de la discordancia entre los estados de la interacción débil y los estados con masa definida y es la responsable de todos los procesos en los que se dan transmutaciones entre las familias de quarks, como es el caso de las oscilaciones de kaones.

Fig.1 Diagramas de Feynman que representan las oscilaciones de kaones neutros.

De acuerdo con la Fig. 1, si partimos por ejemplo de un estado inicial formado exclusivamente por K⁰, al cabo de un rato algunos K⁰ se habrán transformado en anti-K⁰, de forma que nuestro sistema de kaones estará formado por una combinación de K⁰ y anti-K⁰, en la que la proporción de cada uno de ellos irá oscilando con el tiempo  Por tanto, los estados con energía definida (que no se transforman en otros durante su propagación) y propiedades de desintegración definidas (vida media, por ejemplo), serán diferentes a K⁰ y anti-K⁰. Estos nuevos estados, a los que llamaremos K⁰_L y K⁰_S (más adelante veremos por qué) estarán formados por una superposición cuántica o mezcla de los iniciales. Así, vemos que la mezcla de kaones es un fenómeno puramente cuántico que, tal y como sucedía con los quarks, aparece debido a la existencia de conjuntos de estados con ciertas propiedades bien definidas (K⁰ y anti-K⁰ por un lado y K⁰_L y K⁰_S por otro), que pueden utilizarse como base vectorial para describir cualquier estado de nuestro sistema. En este lenguaje, la mezcla no será más que la transformación entre las diferentes bases posibles.

Para acabar de complicar la situación, entraría en juego un tercer observable: las propiedades de transformación bajo la simetría conjugación de carga-paridad o simplemente CP. Esta simetría establece que las leyes de la física deberían ser las mismas si una partícula se intercambia con su antipartícula a la vez que se invierten sus coordenadas espaciales, y resulta crucial para intentar explicar la asimetría materia-antimateria del universo. En la desintegración de los kaones se observa que K⁰_S tiene una vida media más corta (su nombre procede de K-short) y decae a dos piones, que es un estado con CP= +1, mientras que K⁰_L tiene una vida media más larga (K-long) y se desintegra generalmente a tres piones que es un estado con CP = -1. Por tanto, si se deja evolucionar un haz de kaones neutros, tras un lapso de tiempo cabría esperar que estuviera formado exclusivamente por K⁰_L, de mayor vida media, y que el estado final consistiera siempre en tres piones. Sin embargo, por cada 1000 desintegraciones a tres piones, se observaron también varias desintegraciones a dos piones, indicando una violación de la simetría CP en el proceso. Este resultado implica que las propiedades de transformación bajo la simetría CP no están bien definidas en ninguna de las parejas mencionadas anteriormente, (K⁰ - anti-K⁰) y (K⁰_L - K⁰_S). En cambio, existiría una tercera pareja con estas propiedades bien definidas que, en lenguaje de la mecánica cuántica, diríamos son los autoestados del operador CP o estados con CP definida: (K⁰₁ - K⁰₂). Esta observación, realizada en el laboratorio de Brookhaven (Estados Unidos) en 1964 [4], supuso el descubrimiento de la violación de la simetría carga-paridad en las interacciones electrodébiles, y por él recibieron el Premio Nobel de Física de 1980 los físicos estadounidenses James Cronin y Val Fitch.

Fig.2 James W. Cronin (izquierda) y Val L. Fitch (derecha), Premio Nobel de Física de 1980 por “el descubrimiento de la violación de los principios fundamentales de simetría en la desintegración de los mesones K neutros".

Fuente: www.nobelprize.org.

La observación de Cronin, Fitch y colaboradores demostró la existencia de una violación indirecta de la simetría CP en las interacciones electrodébiles, originada por la mezcla de kaones. Posteriormente, la violación de la simetría CP ha sido observada de forma directa en la desintegración de los kaones neutros en los experimentos KTeV (Fermilab) y NA48 (CERN). Más recientemente se ha observado procesos con violación de CP en desintegraciones de otros sistemas de mesones neutros, como los mesones B⁰, los mesones D⁰ y los mesones B⁰_S. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre con la violación de la simetría paridad en las interacciones electrodébiles, que es del 100%, es decir, se viola en todos los procesos, la magnitud de la violación de la simetría CP es extremadamente pequeña. Por tanto, a pesar de que su existencia podría en principio explicar el origen de la asimetría materia-antimateria del universo⁵, el valor medido experimentalmente queda varios órdenes de magnitud por debajo de la cantidad de violación de CP requerida para explicar el desequilibrio entre la materia y la antimateria observado. Así, si creemos que se llegó hasta el universo actual debido a una violación de la simetría CP, debemos ir a buscar a otro sector, como el de los neutrinos. Esto nos lleva al segundo escenario del que hablaremos en este artículo: las oscilaciones de sabor de los neutrinos.

 

Oscilaciones de sabor de los neutrinos.

Los neutrinos son unas de las partículas más abundantes del universo, solo superadas por los fotones. Sin embargo, son también las partículas que más desconocemos y las que han proporcionado la primera evidencia de física más allá del Modelo Estándar. Pero vayamos poco a poco.

Los neutrinos, como su nombre indica, son partículas neutras, sin carga eléctrica, y se producen en procesos mediados por la interacción débil, como la desintegración nuclear de tipo beta o la fusión nuclear. Además, solo interaccionan con la materia a través de este tipo de procesos (son insensibles a la fuerza electromagnética y a la interacción nuclear fuerte), por lo que resulta realmente difícil detectarlos. Esto explica que su descubrimiento se hiciera esperar más de 25 años desde que Wolfgang Pauli postulara su existencia para salvar la conservación de energía en procesos de desintegración nuclear [5].  Hoy sabemos que existen tres tipos de neutrinos con propiedades de interacción bien definidas: el neutrino electrónico o n_e, que interacciona por procesos débiles de corriente cargada con el electrón, el neutrino muónico n_m, que lo hace con el muon, y el neutrino tau n_t que interacciona por corrientes cargadas con el leptón tau. Por otro lado, según el Modelo Estándar, los neutrinos son partículas sin masa, igual que los fotones, aunque, como veremos, los neutrinos han venido acompañados de algunas sorpresas.

El neutrino electrónico fue descubierto por Frederick Reines y Clyde Cowan en 1956 en la planta nuclear de Savannah River (Georgia, Estados Unidos)⁶. En concreto, este primer neutrino observado (indirectamente, pues es la única forma de detectarlos) era un antineutrino electrónico. Poco tiempo después, Raymond Davis Jr. conseguía observar neutrinos electrónicos producidos en el Sol (conocidos como neutrinos solares) desde su experimento situado en las profundidades de una mina de oro en Homestake (Dakota del Sur, Estados Unidos). Este experimento fue concebido para probar la validez de los modelos estelares según los cuales el Sol (y el resto de estrellas) brillan debido a los procesos nucleares de fusión que tienen lugar en su interior, en los cuales se emite un número ingente de neutrinos, del orden de 10.000 millones por segundo y por centímetro cuadrado.

Fig.3 Vista del experimento de Homestake (izquierda) y su impulsor, Raymond Davis Jr. (derecha), Premio Nobel de Física de 2002 por “sus contribuciones pioneras a la detección de neutrinos cósmicos”. 

Fuente: www.nobelprize.org.

Sin embargo, las primeras medidas del experimento Homestake, realizadas en 1968 arrojaron solo un tercio del número esperado de neutrinos. De esta forma comenzó el conocido como problema de los neutrinos solares. Esta discrepancia entre las predicciones teóricas y las observaciones experimentales fue atribuida en primer lugar al modelo solar, dada la complejidad del mismo. Sin embargo, este modelo, desarrollado por el astrofísico John Bahcall, fue refinándose con el tiempo y otras de sus predicciones fueron validadas de forma independiente [6]. Del mismo modo, la posible existencia de errores experimentales fue descartada cuando nuevos experimentos utilizando diferentes técnicas siguieron observando un déficit en el número de los neutrinos solares medidos en la Tierra. Así pues, tras décadas de esfuerzos teóricos y experimentales, parecía que la única solución posible era que alguna cosa estuviera ocurriendo a los neutrinos desde su producción en el Sol hasta su llegada a la Tierra. Diversas soluciones fueron propuestas, aunque la definitiva llegó como respuesta a otra anomalía, la observada en los neutrinos atmosféricos.

Fig.4 Izquierda: espectro de neutrinos generados en diferentes reacciones nucleares en el Sol [7]. Derecha: número de neutrinos solares observados en los experimentos Homestake, Kamiokande y Super-Kamiokande, GALLEX+GNO y SAGE (barras azules) en comparación con las predicciones teóricas del Modelo Estándar Solar [8].

Los neutrinos atmosféricos se producen tras la interacción de rayos cósmicos, en su mayoría protones o núcleos ionizados de átomos ligeros, con núcleos de nitrógeno y oxígeno de la atmósfera terrestre. Estos procesos desatan lluvias hadrónicas de partículas que generan un gran número de partículas inestables como piones o kaones que acaban desintegrándose a muones, y éstos a electrones y neutrinos, en una proporción aproximada de dos neutrinos muónicos por cada neutrino electrónico. Este flujo de partículas comenzó a estudiarse como ruido de fondo en experimentos de búsqueda de desintegración del protón, pero la discrepancia entre las predicciones teóricas y las observaciones pronto lo convirtieron en un objeto central de estudio. Y es que el número de neutrinos muónicos detectados (puntos en el panel derecho de la Fig. 5) era sensiblemente menor al indicado por los cálculos teóricos (barras horizontales) y, además, dependía del ángulo de llegada de los neutrinos al detector, de forma que el déficit era más importante en el flujo de neutrinos que llegaba desde la vertical inferior del detector, es decir, desde el otro lado de la Tierra (cos Q = -1), tras haber viajado mayores distancias. Los resultados para los neutrinos electrónicos, en cambio, eran compatibles con las predicciones teóricas (panel central en la Fig. 5).

Fig.5 Producción de neutrinos por la interacción de rayos cósmicos en la atmósfera (izquierda). Resultados del experimento Super-Kamiokande (derecha): distribución de neutrinos electrónicos (a) y de neutrinos muónicos (b) en función de la dirección de llegada al detector. Fuente: [9].

Tal y como sucedió en el caso de los neutrinos solares, diferentes mecanismos fueron propuestos para explicar la desaparición de los neutrinos muónicos en el flujo atmosférico. Finalmente, los resultados más precisos del experimento Super-Kamiokande, en Japón, indicaron que la única solución compatible con las observaciones eran las oscilaciones de sabor en el canal n_m→n_t. Esta transformación explicaba por qué el número de neutrinos muónicos era menor del esperado sin afectar a las medidas de   neutrinos electrónicos, explicando además el patrón de energías y distancias observado. Las implicaciones de este resultado son enormes, ya que las oscilaciones de sabor de los neutrinos pueden producirse únicamente si éstos tienen masa, en contra de lo que predice el Modelo Estándar de física de partículas. En consecuencia, las oscilaciones de neutrinos proporcionaron la primera prueba de la existencia de nueva física, poniendo de manifiesto la necesidad de extender el Modelo Estándar con la incorporación de nuevos mecanismos capaces de explicar el origen de la masa de los neutrinos.

Tras la resolución de la anomalía de los neutrinos atmosféricos en el detector japonés Super-Kamiokande, otros dos experimentos realizaron observaciones que consiguieron explicar también el problema de los neutrinos solares. Por un lado, SNO, el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (Ontario, Canadá) fue capaz de medir de forma separada los neutrinos electrónicos (producidos en el Sol) y del resto de sabores utilizando procesos débiles de corrientes cargadas (sensibles solo a los n_e) y de corrientes neutras (sensibles también a n_m y n_t), demostrando que no había ningún déficit en el número de neutrinos solares que llegaban a la Tierra [10]. El detector observaba todos los neutrinos esperados teóricamente según el Modelo Estándar Solar (SSM), solo que, durante su camino hacia nosotros, algunos de los n_e (aproximadamente dos tercios) habían mutado a neutrinos de sabor diferente, n_m y n_t (Fig. 6, panel izquierdo). Por tanto, el misterio estaba parcialmente resuelto, y digo parcialmente porque se sabía que se habían transformado, pero no cómo lo habían hecho, ya que diferentes mecanismos podían explicar satisfactoriamente la mutación. Entonces llegó el resultado del experimento de reactor KamLAND, también en Japón. Su objetivo consistía en buscar oscilaciones de antineutrinos electrónicos, pues su existencia supondría la confirmación del mecanismo de oscilación como solución al problema de los neutrinos solares. En 2002, KamLAND observó un número de anti-n_e menor del esperado y compatible con el mecanismo de oscilaciones de sabor, y dos años después obtuvo la prueba irrefutable de las oscilaciones: una variación del número de neutrinos con la energía y la distancia recorrida que solo este mecanismo podía explicar (Fig, 6, panel derecho). De esta forma quedó también confirmada la existencia de las oscilaciones de sabor en el sector de los neutrinos solares.

Fig.6 Izquierda: flujo de neutrinos electrónicos y de tipo muónico y tau observados en SNO, obtenidos a partir de las interacciones de corrientes cargadas (CC), corrientes neutras (NC) y de la dispersión elástica con electrones (ES, sensible a corrientes cargadas y neutras simultáneamente). Se indica también la predicción del SSM [10]. Derecha: cociente entre el número observado y el esperado de antineutrinos electrónicos en KamLAND (puntos), explicado únicamente en términos de oscilaciones de sabor (histograma azul) [11].

Este resultado, junto el descu-brimiento de las oscilaciones de neutrinos atmosféricos sirvió para otorgar el Premio Nobel de Física de 2015 a Takaaki Kajita y Arthur McDonald, máximos responsables de los experimentos Super-Kamiokande y SNO, respectivamente. Posteriormente, el fenómeno de oscilaciones de neutrinos ha sido observado en una gran variedad de experimentos, utilizando fuentes naturales, como los neutrinos solares y atmosféricos, así como fuentes artificiales, en experimentos de reactor y acelerador.

Fig.7 Takaaki Kajita (izquierda) y Arthur McDonald (derecha), galardonados con el Premio Nobel de Física de 2015 por “el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, que muestran que los neutrinos son partículas con masa".

Fuente: www.nobelprize.org.

Pero, ¿cuál es el mecanismo por el que se producen las oscilaciones de neutrinos? Como hemos comentado anteriormente, la clave está en su masa, y en la existencia de diferentes estados con ciertas propiedades definidas y otras no, como vimos para los kaones. Si los neutrinos son partículas masivas, los estados de neutrinos con masa definida, a los que nos referiremos como (n₁, n₂, n₃) serán, en general, diferentes a los estados con sabor definido, ( , n_m , n_t). Así, tendremos nuevamente dos bases diferentes a partir de las cuales poder describir cualquier estado físico de un sistema de neutrinos. Del mismo modo, cada uno de los estados de una de las bases se podrá expresar como una mezcla o superposición cuántica de los estados de la otra base. En este caso, la mezcla entre los neutrinos se parametriza a través de la matriz de mezcla leptónica, también conocida como matriz PMNS (Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata) [3]:

donde se ha usado notación c_ij = cosθ_ij y s_ij = sinθ_ij para los 3 ángulos de rotación θ₁₂, θ₂₃ y θ₁₃ que definen la transformación unitaria. El cuarto parámetro, δ, es el responsable de la violación de la simetría CP en el sector de los neutrinos y, por tanto, de él depende que los neutrinos y sus antipartículas, los antineutrinos, se comporten de forma diferente.

Los neutrinos se producen en procesos de interacción débil y, por tanto, en la producción tendremos estados con un sabor definido: electrónico, muónico o tau que, a su vez, consistirán en una combinación de los estados con masa definida (n₁, n₂, n₃), según la matriz de mezcla de la Eq. (1). Puesto que sus masas no son exactamente iguales, la evolución de cada n_i (i=1,2,3) a medida que van propagándose por el espacio es ligeramente diferente, lo cual resulta en una proporción de  n₁, n₂ y n₃ distinta a la inicial y, por tanto, un estado de sabor definido diferente. De esta forma, se habría producido una oscilación entre el neutrino inicial, con un sabor concreto n_α, y el final con un sabor diferente, n_β.

Fig.8 Representación gráfica de la mezcla de neutrinos.

La clave de esta oscilación se encuentra en que los neutrinos tengan masa y en que, además, estas masas sean diferentes. De hecho, la probabilidad de oscilación de los neutrinos dependerá, por un lado, de los ángulos de mezcla de la Eq. (1) y la Fig. 8, y de las diferencias entre sus masas, por otro. En ciertos casos es posible simplificar el cálculo de la probabilidad de oscilación considerando solo dos familias de neutrinos, y el resultado sería el siguiente:

donde θ sería uno de los ángulos de la matriz de mezcla, L la distancia viajada por el neutrino entre su producción y su detección, E su energía, y Δm² la diferencia de masas al cuadrado entre dos de los estados con masa definida: (m_i²-m_j²). Por tanto, vemos que las oscilaciones dependen de las diferencias de masas entre los neutrinos, pero no de su escala de masa absoluta, así que no pueden proporcionar información acerca de la misma. A día de hoy se ha conseguido medir con muy buena precisión el valor absoluto de las dos diferencias de masas entre los tres neutrinos, pero aún no hemos podido establecer el signo de una de ellas, de forma que los estados de masa se pueden organizar de dos formas posibles, tal y como indica la Fig. 9. La primera de ellas se conoce como orden normal (NO, izquierda) y la segunda como orden inverso (IO, derecha). Los colores indican la fracción de los estados de sabor (ν_e, ν_μ, ν_τ) contenida en los estados de masa (ν₁, ν₂, ν₃), en función de los parámetros de oscilación.

Fig.9 Espectros de masas de neutrinos posibles [12].

Utilizando los resultados de todos los experimentos de oscilaciones de neutrinos y a través de los llamados análisis globales de oscilaciones, es posible combinar toda la información disponible y explotar la complementariedad de los diferentes conjuntos de datos para obtener medidas muy precisas de la mayoría de los parámetros responsables de las oscilaciones de neutrinos. Esto nos ha permitido determinar los valores de los ángulos de mezcla θ_ij y las diferencias de masas Δm²_ij con precisiones de entre el 1 y el 5%, ver Tabla 1. Las medidas de la fase de violación de CP, δ, todavía no son tan precisas, pero se espera una mejora en el futuro cercano gracias a los experimentos de acelerador actuales T2K y NOvA y, a más largo plazo, en los futuros experimentos DUNE y Hyper-Kamiokande. Del mismo modo, nuevos resultados de estos experimentos, así como de los telescopios de neutrinos IceCube y KM3NeT permitirán establecer el orden correcto del espectro de masas de los neutrinos, de entre los dos mostrados en la Fig. 9. De esta forma quedarán resueltas las incógnitas pendientes relativas al mecanismo de oscilación de los neutrinos, lo cual permitirá nuevos avances en las búsquedas de física más allá del Modelo Estándar.

Tabla 1: Determinación de los parámetros de oscilación de neutrinos a partir de un ajuste global a todos los resultados de experimentos solares, atmosféricos, de reactor y de acelerador [13].

Y aquí acaba este viaje que nos ha llevado desde los fundamentos de la mecánica cuántica hasta dos grandes descubrimientos que han servido, en primer lugar, para establecer los fundamentos del Modelo Estándar de física de partículas y, unas décadas después, para ponerlo en tela de juicio e impulsar la búsqueda de nuevas teorías capaces de acomodar las masas de los neutrinos. Queda pendiente también la conexión de la violación de la simetría CP en el sector de los neutrinos con la asimetría bariónica del universo. A través del estudio de las oscilaciones de neutrinos y de antineutrinos en los experimentos actuales y de nueva generación, en unos años seremos capaces de establecer con precisión la magnitud de esta asimetría CP y aclarar si podría tratarse de un ingrediente capaz de explicar la naturaleza de nuestro universo.

 

Notas:

¹ Aunque, en muchos aspectos, la física cuántica es tan determinista como la clásica.

² Las partículas compuestas de dos quarks (en realidad una pareja quark-antiquark) reciben el nombre de mesones.

³ No existe otra opción, ya que se trata de las partículas extrañas más ligeras que existen y, por tanto, su desintegración no puede conservar la extrañeza.

⁴ Nótese que la existencia del cuarto quark (charm o c), así como de la tercera generación (quarks b y t) fue propuesta antes de su descubrimiento a partir del estudio de las oscilaciones de los kaones neutros.

⁵ Una pequeña diferencia en el comportamiento de la materia y la antimateria en el universo primigenio podría explicar la pequeña asimetría entre ambas que dio lugar al universo dominado por la materia en el que vivimos. Esta diferencia podría ser explicada en términos de la violación de la simetría CP.

⁶ F. Reines recibió el Premio Nobel de Física en 1995 por este descubrimiento.

  

Referencias:

[1] N. David Mermin, Physics Today 57, 5, 10 (2004).

[2] G. Rochester, C. Butler, Nature 160, 855–857 (1947).

[3] P.A. Zyla et al. (Particle Data Group), Prog. Theor. Exp. Phys. 083C01 (2020).

[4] J.H. Christenson, J.W. Cronin, V.L. Fitch, R. Turlay, Phys. Rev. Lett. 13 138-140 (1964).

[5] https://www.symmetrymagazine.org/article/march-2007/neutrino-invention

[6] J. N. Bahcall, Nucl. Phys. Proc. Suppl. 118, 77-86 (2003), [arXiv:astro-ph/0209080v2].

[7] G. Orebi Gann, K. Zuber, D. Bemmerer, A. Serenelli, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 71, 491-528 (2021).

[8] W. Haxton, R. Hamish Robertson, A. Serenelli, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 51, 21-61 (2013).

[9] T. Kajita, Rep. Prog. Phys. 69, 1607 (2006).

[10] Q.R. Ahmad et al. (SNO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 89, 011301 (2002).

[11] T. Araki et al. (KamLAND Collaboration), Phys. Rev. Lett. 94, 081801 (2005).

[12] P. De Salas, S. Gariazzo, O. Mena, C.A. Ternes, M. Tórtola, Front. Astron. Space Sci. 5, 36 (2018).

[13] P. De Salas et al., JHEP 02, 071 (2021). [https://globalfit.astroparticles.es/]

  

Mariam Tórtola Baixauli.

Doctora en Física.

Profesora Contratada Doctora en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC-CSIC-UV).