Avanzado Posible violación de la simetría CP entre la materia y la antimateria

[Alriga]

Nature publicó ayer Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations (Nature) que podría tener importantes implicaciones en Física de partículas y en Cosmología, dice el abstract:

Las leyes actuales de la física no explican el desequilibrio observado de la materia y la antimateria en el universo. Sakharov propuso que una explicación requeriría la violación de la simetría CP entre la materia y la antimateria. La única violación de PC observada hasta ahora está en las interacciones débiles de los quarks, y es demasiado pequeña para explicar el desequilibrio de materia y antimateria del universo.

Se ha demostrado que la violación de CP en el sector de leptones podría generar la disparidad de materia-antimateria a través del proceso llamado leptogénesis. La mezcla cuántica de neutrinos, los leptones neutros en el Modelo Estándar, proporciona una fuente potencial de violación de CP a través de una fase compleja dCP, que puede tener consecuencias para los modelos teóricos de leptogénesis. Esta violación de CP se puede medir en oscilaciones de neutrino muón a neutrino electrónico y las correspondientes oscilaciones de antineutrino, que son accesibles experimentalmente con haces producidos por el acelerador según lo establecido por el experimento T2K. Hasta ahora, el valor de dCP no se ha visto significativamente restringido por los experimentos de oscilación de neutrinos.

Aquí, la colaboración T2K informa una medición que favorece una gran mejora de la probabilidad de oscilación de neutrinos, excluyendo los valores de dCP que resultan en una gran mejora de la probabilidad de oscilación anti-neutrinos observada en tres desviaciones estándar (3 sigma). El intervalo de nivel de confianza de 3 sigma para dCP, que es cíclico y se repite cada 2pi, es [-3.41, -0.03] para el llamado orden de masa normal, y [-2.54, -0.32] para el orden de masa invertido.

Nuestros resultados muestran una indicación de violación de CP en el sector de leptones. Aquí establecemos métodos para búsquedas sensibles de asimetría de materia-antimateria en oscilaciones de neutrinos usando haces de neutrinos producidos por el acelerador. Las mediciones futuras con muestras de datos más grandes determinarán si la violación de CP leptónica es mayor que la violación de CP del sector de quark.

Os recuerdo que 3 sigma actualmente es “poco” en Física de partículas, pero como se publica en Nature, he decidido postearlo por si os interesa.

El experimento T2K envía neutrinos muónicos desde Tokai a Kamioka, a 295 km de distancia. Para generar los neutrinos lo que hacen en Tokai es colisionar protones contra un objetivo de grafito, se generan piones que se desintegran en muones y neutrinos muónicos con energía centrada en 600 MeV, que se envían hacia Kamioka. Los neutrinos muónicos oscilan a neutrinos electrónicos por el camino.

Entiendo que si han encontrado que las oscilaciones de los neutrinos y las de los antineutrinos no son iguales, eso zanjaría la famosa discusión de si los neutrinos son Fermiones de Majorana o Fermiones de Dirac: serían Fermiones de Dirac, pero me extraña mucho que eso no lo diga explícitamente (al menos yo no lo he encontrado) el paper de arxiv: Constraint on the Matter-Antimatter Symmetry-Violating Phase in Neutrino Oscillations (arxiv)

Saludos.

[carroza]

Gracias, Alriga por la referencia. Es muy interesante y relevante.

Entiendo que si han encontrado que las oscilaciones de los neutrinos y las de los antineutrinos no son iguales, eso zanjaría la famosa discusión de si los neutrinos son Fermiones de Majorana o Fermiones de Dirac: serían Fermiones de Dirac, pero me extraña mucho que eso no lo diga explícitamente (al menos yo no lo he encontrado) el paper de arxiv: Constraint on the Matter-Antimatter Symmetry-Violating Phase in Neutrino Oscillations (arxiv)

No veo esto que dices. Neutrinos de Dirac y Neutrinos de Majorana son casos límites de una situación más general en la que los términos de masa podrían mezclar lo que llamamos estados de neutrino y de antineutrino. Si das una referencia más concreta lo podemos discutir.

Saludos

[Alriga]

La definiciones naive que yo manejo son:

• Fermión de Dirac: fermiones cuyas antipartículas no son ellas mismas, ejemplos: electrón, quarks, muon, ... No se sabe si los neutrinos son fermiones de Dirac
• Fermión de Majorana: hipotéticos fermiones cuyas antipartículas serían ellos mismos. No se conoce ninguno elemental. No se sabe si los neutrinos son fermiones de Majorana.

Buscando información sobre el experimento T2K del paper llegué a esta página web de la Universidad de Colorado, Why didn’t the universe annihilate itself? Neutrinos may hold the answer, en donde leí estos párrafos:

The new research suggests that the answer comes down to a subtle discrepancy in the way that neutrinos and their evil twins, the antineutrinos, behave—one of the first indications that phenomena called matter and antimatter may not be the exact mirror images many scientists believed ...
... In their most recent study, the researchers hit pay dirt: These bits of matter and antimatter seem to behave differently. Muon neutrinos, Zimmerman said, are more inclined to oscillate into electron neutrinos than their antineutrino counterparts.

Seguramente malinterpreté esos párrafos, que entendí que implicaban que neutrino y antineutrino son definitivamente diferentes al tener (según esos párrafos) comportamientos diferentes y por lo tanto los neutrinos no podrían ser fermiones de Majorana.

De todas maneras, como comenté, tenía la mosca detrás de la oreja, pues me parece casi imposible que si se ha llegado a esa importante conclusión, ésta no aparezca explícitamente en el paper.

Saludos.

ACTUALIZADO 18/04/2020

Hoy Francis publica un post sobre el tema Se publican en Nature indicios a 3 sigmas de la asimetría CP en la física de los neutrinos en el que habla del tema Fermiones de Majorana/Fermiones de Dirac.

Saludos.

[carroza]

Hola.

A ver, sobre el tema de Dirac o Majorana: Un neutrino, como cualquier fermión de espin 1/2, tiene cuatro componentes en su espinor. Tenemos espin arriba, espin abajo para partícula y espin arriba espin abajo para antiparticula.

En los fermiones con carga, como el electrón, las componentes de particula tienen carga eléctrica diferente a los de antiparticula, por lo que no puede haber mezcla de ambas componentes en el hamiltoniano: no puede haber una "particula" (estrictamente, un autoestado del hamiltoniano), que sea 80% electrón y 20% positrón.

Sin embargo, en fermiones sin carga eléctrica esto en principio es posible, si aceptamos que se pueda violar el numero leptonico.

Así, si el numero leptonico que tienen los neutrinos es como la carga eléctrica, y se conserva estrictamente, cada "neutrino" que vemos en la naturaleza, podía ser o bien el "neutrino de dirac", esto es el que tiene numero leptonico +1, o el "antineutrino de dirac", que es el que tiene numero leptonico -1.

Sin embargo, es posible que esto no sea el caso, y exista, además del termino de masa de Dirac, otro término de masa, que se llama el término de Majorana. Si solo existiera el término de Majorana, entonces no se conserva el numero leptonico, y los "neutrinos" que aparecen en la naturaleza son las dos combinaciones, con signo + y -, ambas con 50% de "neutrino de dirac", con L=1, y 50% de "antineutrino de dirac", con L=-1. Estos hipotéticos "neutrinos de Majorana" son los que son autoestados de la conjugación de carga, lo que de manera laxa se puede interpretar diciendo que coinciden con sus antiparticulas.

El caso general es cuando existen ambos términos, Dirac y Majorana. En ese caso, los "neutrinos" que vemos en la naturaleza no son ni de Dirac (esto es con numero leptonico definodo) ni de Majorana (esto es, autoestados de la conjugación de carga).

Actualmente, hay una interpretación de la (pequeñisima) masa de los neutrinos, que se llama el mecanismo de Sierra (seesaw mechanism). En esta descripción, se supone que hay un término de Dirac, D, que es del orden del MeV (similar, por tanto a las masas de los leptones cargados y de los quarks), y un término de Majorana, que es cero para una componente, y Muy Muy grande M (del orden de la masa de Planck) para la otra. A partir de ahi, la masa de los neutrinos se obtendría diagonalizando una matriz de tipo

$\left( \begin{array}{cc} 0 & D \\ D & M \end{array} \right)$

Esto nos da un autoestado de masa muy pequeña, $m_\nu \simeq D^2/M$, que es el que vemos en la naturaleza, y uno de masa muy muy grande $m_\nu \simeq M$, que no podemos ver. Este argumento nos llevaría a considerar que el neutrino que vemos en la naturaleza es, aproximadamente, un neutrino de Majorana, pero con una pequeña mezcla producida por el término de Dirac, que hace que no coincida con su antipartícula.

Bueno, todo esto sería si solo hubiera un tipo de neutrino. Pero sabemos que hay tres, y estos tres se mezclan, y además, lo que dice el experimento de medida de la violación de CP, es que la interacción que los mezcla es compleja (de ahi la fase delta).

Esto lo que nos hace es que los neutrinos de la naturaleza, sean de Dirac o de Majorana o mezcla de ambas, vienen dadas por una combinación $\nu = a_1 \nu_1 + a_2 \nu_2 + a_3 \nu_3$, donde los coeficientes $a_1, a_2 , a_3$ son numeros complejos.

La antiparticula del neutrino $\nu$ , que llamamos $\bar \nu$ vendria dado por $\bar \nu = a_1^* \bar\nu_1 + a_2^* \bar\nu_2 + a_3^* \bar\nu_3$. Aunque los neutrinos de cada generación fueran estrictamente neutrinos de Majorana (que no lo son, o solo lo son aproximadamente, si aceptamos el mecanismo seesaw), la antiparticula de nuestro neutrino fisico $\nu$, sería $\bar \nu = a_1^* \nu_1 + a_2^* \nu_2 + a_3^* \nu_3$, distinto, por tanto, del neutrino inicial.

Así que este interesantisimo resultado experimental que cita Alriga, no resuelve qué componente de Dirac o Majorana tienen nuestros neutrinos.

Saludos