fig 1, impresión artística del interior de uno de los 6 detectores de antineutrinos del experimento Daya Bay.Crédito.Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory.
Para algunos, este puede ser el año del dragón, pero en la física de neutrinos este es el año de θ13. Sólo hace un año, este supuesto "pequeño" ángulo de mezcla, el cual describe cómo los neutrinos oscilan desde un estado de masa a otro, era indetectado, pero en los últimos doce meses se ha registrado una oleada de resultados desde experimentos en Asia y Europa, la cual culminó con el resultado de la colaboración Daya Bay, el cual está siendo reportado en Physical Review Letters, que muestra que θ13 no es pequeño después de todo [ ver aquí]. Un ángulo de mezcla no tan pequeño nos obliga a repensar la teoría, pidiendo nuevas explicaciones de por qué los quarks y los leptones son tan diferentes. También abre la puerta a nuevos experimentos, lo que podría permitir el descubrimiento de la violación CP -una diferencia entre los neutrinos y antineutrinos que puede estar relacionada con la asimetría de la materia en los inicios del universo.
Las oscilaciones de los neutrinos son una idea simple que se puede obtener en cualquier clase de nivel intermedio de mecánica cuántica. En la interacción débil, los neutrinos se producen y se detectan en sabores" o autoestados ; el electrón (νe) ,el muón (νμ) y el tau (ντ). Sin embargo, el hamiltoniano depende de la energía, que a su vez depende de la masa. En un sencillo modelo de dos neutrinos, con sólo los sabores del muón y el electrón, los autoestados de masa (ν1 y ν2) se pueden rotar con respecto a los autoestados de sabor,νe cosθ -sinθ ν1 (1)
( νμ )=( sinθ cosθ )( ν2 )
La mezcla entre los sabores y los estados de masas suena extraño, pero los quarks lo hacen. ¿Por qué no deberían los neutrinos hacerlo también? Un resultado de esta mezcla es que el neutrino nacido a través de la interacción débil en un estado de sabor evolucionará con el tiempo para tener cierta probabilidad de interactuar como los otros sabores. La probabilidad de esta oscilación es igual a sin22θsin2(1.27Δm2L/E), En las unidades (verdaderamente extrañas, pero útiles) de L (en metros, m), E (en mega-electrón-voltios, Mev), y Δm2=m22-m12 (en ev2). Esta fórmula depende de dos parámetros fundamentales: el ángulo de mezcla, θ , que establece la amplitud de la probabilidad de la oscilación, y la diferencia de la masa al cuadrado Δm2, que afecta a la longitud de onda de la oscilación. También depende de dos parámetros experimentales: L, la distancia que los neutrinos han viajado desde la fuente al detector, y E, la energía del neutrino.Si bien la ecuación. (1) es una imágen simplificada de dos neutrinos, la expansión a los tres sabores conocidos, νe, νμ, y , ντ sigue una línea similar de pensamiento, en este caso la matrix de rotación de 2 dimensiones con un ángulo, θ, se convierte en una matriz tridimensional con tres ángulos de Euler: θ12, θ23 y θ13 . La historia de las mediciones de las oscilaciones de neutrinos se inicia con un artículo de Raymond Davis en la búsqueda de neutrinos solares que apareció en Physical Review Letters en 1964 [ ver aquí ] (también un año del dragón!). Pero a pesar del descubrimiento posterior de Davis de una firma muy obvia, tomó mucho tiempo para que los físicos comprendieran e interpretaran correctamente los datos como un problema con la física de partículas subyacentes. En el modelo estándar, los neutrinos no tienen masa. Este supuesto es necesario para explicar la violación de la paridad, un 100 % de asimetría en la dependencia del spin de la desintegración beta. Pero si los neutrinos tienen masa cero, implica Δm2=0 y la probabilidad de oscilación tiende a cero, por lo que las oscilaciones no pueden ocurrir. El modelo estándar era tan exitoso en todos los demás aspectos de la física de partículas que costó años y seguimiento de muchos experimentos cuidadosos para que los físicos aceptaran la realidad experimental: los neutrinos tienen masa y por ello oscilan. Como hemos seguido estudiando las oscilaciones, hemos aprendido que los neutrinos no son como las otras partículas de muchas maneras. Por un lado, las divisiones de masa son muy pequeñas comparadas con las de sus compañeras partículas cargadas. Por otra parte, dos de los ángulos de mezclas de "Euler", θ12 y θ23 son muy grandes, exactamente lo contrario de la matriz de mezcla que se ve en los quarks. Sin embargo,el último ángulo de mezcla, θ13, permaneció difícil de alcanzar, a pesar de una búsqueda específica por dos experimentos: Palo Verde, en Arizona, [ ver aquí ], y Chooz, en Francia [ ver aquí ]. Mucha gente supuso que el θ13 era muy pequeño, en parte inspirados por la fenomenología de la llamada mezcla tri-bi-máxima [ ver aquí ]. En su forma más pura, esta idea, presentada en el 2002 para explicar el patrón de ángulos de mezcla, requiere θ13=0. Varias otras teorías dieron predicciones del orden de magnitud de 1x10-3 a 1x10-2. Los experimentadores reaccionaron trás diseñar para pequeños valores de sen2 2θ13 .La presente generación de experimentos fueron diseñados para alcanzar sen2 2θ13=0.01, pero la fábrica de neutrinos -de-nuestros- sueños podría potencialmente alcanzar 1x10-4. De repente, esta visión ha cambiado. Los primeros desafíos a las expectativas han venido de aceleradores basados en experimentos de la "Aparición", que buscan la interacción de un nuevo sabor ( νe) en un mar de interacciones del sabor original ( νμ). Si bien esto suena como la búsqueda de una aguja en un pajar, en unos experimento bien diseñado, como el T2K en Japón (ver aquí y aquí ) y el Minos [ ver aquí ] en el Fermilab en Illinois, la aguja sobresalió. Sin embargo, estos experimentos tenían bajas estadísticas y resultados confusos. Los errores eran relativamente grandes y los resultados seguían siendo consistentes con θ13=0. Sin embargo, los valores centrales no eran muy pequeños (ver fig. 2)-un primer indicio de que θ13 iba a ser mayor de lo esperado.
fig 2,valores medidos de sen2 2θ13 .Varias colaboraciones experimentales alrededor del mundo han medido el ángulo de mezcla θ13 el cual describe la probabilidad que un electrón neutrino oscilará desde un estado de masa a otro y encuentran que el es mucho más grande de lo esperado.La gráfica Gausiana normalizada mostrada está centrada sobre las mediciones de sen2 2θ13 donde el ancho de las curvas indica la incertidumbre de la medición.Crédito.APS/Carin Cain.
Los experimentos de Aparición son problemáticos porque, en el caso de tres neutrinos, ellos son sensibles a parámetros desconocidos más allá de θ13, incluyendo el orden de los estados de masa (llamada "la jerarquía de masas") y los parámetros de la -Violación CP. Por otro lado, los experimentos de desaparición tienen una más simple fórmula de oscilación, que se reduce a Pdisapp= 1-sin22θsin2(1.27Δm2L/E).
El Daya Bay, que se encuentra en China, es un ejemplo de la nueva generación de experimentos de desaparición. Este experimento se aloja en uno de los nuevos ultrapotentes complejos de reactores del mundo. Los reactores son fuentes abundantes de los neutrinos antielectrón ( ν-e), de forma gratuita! La idea es la búsqueda de la desaparición de antineutrinos como una función de la distancia, por lo que los experimentos tienen detectores múltiples. Daya Bay utiliza seis (fig. 1). Estos pueden ser colocados a distancias variables ( L) desde la fuente del reactor para trazar la onda de oscilación. Los antineutrinos interactúan con protones libres en el aceite centelleador del detector a través de una "desintegración beta inversa" proceso que produce un "positrón y un neutrón : ν-e + p→e+ + n. Esta interacción tiene una sección eficaz conocida en alta precisión; la energía del antineutrino puede ser totalmente reconstruida, y el positrón seguido por una subsecuente captura del neutrón produce una señal coincidente que separa la señal de fondo. El desarrollo de un centelleador de gadolinio dopado de largo tiempo de vida fué un avance crucial en la detección de θ13, Ya que esto mejora el tiempo de captura de neutrones por más de un orden de magnitud. De hecho, el primer reactor experimental en presentar un resultado fué doble Chooz, en Francia [ ver aquí ]. El valor central fue de nuevo relativamente grande (Fig. 2), y en ese punto, se comenzó a hundir : θ13 debe ser grande. En un lapso de cinco meses, el experimento de doble Chooz fué seguido por el resultado de Daya Bay sen2 2θ13= 0.092±0.016 (stat)±0.005 (syst) (ver aquí).En la física de partículas, una significación estadística de 5 sigma es necesaria para reclamar un descubrimiento, y la medición de Daya Bay fue concluyente: de que θ13 es distinto de cero. El valor central de su medición era grande y en excelente acuerdo con Double Chooz. Caliente en los talones de Daya Bay fue el resultado del experimento RENO [ver aquí ] en Corea, que una vez más está de acuerdo con sen2 2θ13~ 0.1. ¿Qué significa un θ13 grande? Esto significa que la comunidad neutrino está repentinamente ocupada en la organización de talleres para repensar los próximos pasos. Con un valor bien medido de θ13 podemos seguir la jerarquía de la masa y los parámetros de la Violación CP en los experimentos de aparición que habrán de venir pronto. Vamos a ver si las mediciones de estos nuevos parámetros también desafían las expectativas. En un año, hemos pasado de no saber nada, a tener una visión completa de este ángulo de mezcla. Nos apareció el dragón θ13, y rugió!.
artículo de la físico Janet Conrad para Physics.aps.
fuente de la información: http://physics.aps.org/articles/v5/47
