Durante casi nueve años, el Experimento de neutrinos del reactor de Daya Bay capturó cinco millones y medio de interacciones sin precedentes de partículas subatómicas llamadas neutrinos. Ahora, el equipo internacional de físicos de la colaboración de Daya Bay ha informado el primer resultado del conjunto de datos completo del experimento: la medición más precisa hasta ahora de theta13, un parámetro clave para comprender cómo los neutrinos cambian su «sabor». El resultado, anunciado hoy en la conferencia Neutrino 2022 en Seúl, Corea del Sur, ayudará a los físicos a explorar algunos de los mayores misterios que rodean la naturaleza de la materia y el universo.
Los neutrinos son partículas subatómicas que son famosas por ser escurridizas y tremendamente abundantes. Bombardean sin cesar cada centímetro de la superficie de la Tierra a casi la velocidad de la luz, pero rara vez interactúan con la materia. Pueden viajar a través de un año luz de plomo sin perturbar ni un solo átomo.
Una de las características definitorias de estas partículas fantasmales es su capacidad para oscilar entre tres «sabores» distintos: neutrino muón, neutrino tau y neutrino electrónico. El Experimento de Neutrinos del Reactor de Daya Bay fue diseñado para investigar las propiedades que dictan la probabilidad de esas oscilaciones, o lo que se conoce como ángulos de mezcla y divisiones de masa.
Solo uno de los tres ángulos de mezcla seguía siendo desconocido cuando se diseñó Daya Bay en 2007: theta13. Entonces, Daya Bay se construyó para medir theta13* con mayor sensibilidad que cualquier otro experimento.
Operando en Guangdong, China, el Experimento de Neutrinos del Reactor de Daya Bay consiste en grandes detectores de partículas cilíndricos sumergidos en piscinas de agua en tres cavernas subterráneas. Los ocho detectores captan señales de luz generadas por la transmisión de antineutrinos desde las plantas de energía nuclear cercanas. Los antineutrinos son las antipartículas de los neutrinos y se producen en abundancia en los reactores nucleares. Daya Bay se construyó a través de un esfuerzo internacional y una asociación única en su tipo para un importante proyecto de física entre China y los Estados Unidos. El Instituto de Física de Alta Energía (IHEP) de la Academia de Ciencias de China, con sede en Beijing, lidera el papel de China en la colaboración, mientras que el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y el Laboratorio Nacional Brookhaven codirigen la participación de EE. UU.
Para determinar el valor de theta13, los científicos de Daya Bay detectaron neutrinos de un sabor específico, en este caso, antineutrinos electrónicos, en cada una de las cavernas subterráneas. Dos cavernas están cerca de los reactores nucleares y la tercera caverna está más lejos, proporcionando una amplia distancia para que oscilen los antineutrinos. Al comparar el número de antineutrinos electrónicos recogidos por los detectores de cerca y de lejos, los físicos calcularon cuántos cambiaron de sabor y, en consecuencia, el valor de theta13.
Los físicos de Daya Bay realizaron la primera medición concluyente del mundo de theta13 en 2012 y posteriormente mejoraron la precisión de la medición a medida que el experimento continuaba tomando datos. Ahora, después de nueve años de funcionamiento y el final de la recopilación de datos en diciembre de 2020, el excelente rendimiento del detector y el análisis de datos dedicado, Daya Bay ha superado con creces las expectativas. Trabajando con el conjunto de datos completo, los físicos ahora han medido el valor de theta13 con una precisión dos veces y media mayor que el objetivo de diseño del experimento. No se espera que ningún otro experimento existente o planificado alcance un nivel de precisión tan exquisito.
«Tuvimos varios equipos de análisis que examinaron minuciosamente todo el conjunto de datos, teniendo en cuenta cuidadosamente la evolución del rendimiento del detector durante los nueve años de funcionamiento», dijo el coportavoz de Daya Bay, Jun Cao, de IHEP. «Los equipos aprovecharon el gran conjunto de datos no solo para refinar la selección de eventos de antineutrinos, sino también para mejorar la determinación de los antecedentes. Este esfuerzo dedicado nos permitió alcanzar un nivel de precisión sin igual».
La medición de precisión de theta13 permitirá a los físicos medir más fácilmente otros parámetros en la física de neutrinos, así como desarrollar modelos más precisos de partículas subatómicas y cómo interactúan.
Al investigar las propiedades e interacciones de los antineutrinos, los físicos pueden comprender mejor el desequilibrio de la materia y la antimateria en el universo. Los físicos creen que la materia y la antimateria se crearon en cantidades iguales en el momento del Big Bang. Pero si ese fuera el caso, estos dos opuestos deberían haberse aniquilado, dejando solo luz. Alguna diferencia entre los dos debe haber inclinado la balanza para explicar la preponderancia de la materia (y la falta de antimateria) en el universo actual.
«Esperamos que pueda haber alguna diferencia entre los neutrinos y los antineutrinos», dijo el físico de Berkeley y co-portavoz de Daya Bay, Kam-Biu Luk. «Nunca hemos detectado diferencias entre partículas y antipartículas para los leptones, el tipo de partículas que incluye a los neutrinos. Solo hemos detectado diferencias entre partículas y antipartículas para los quarks. Pero las diferencias que vemos con los quarks no son suficientes para explicar por qué». hay más materia que antimateria en el universo. Es posible que los neutrinos sean la prueba irrefutable».
El último análisis del conjunto de datos final de Daya Bay también proporcionó a los físicos una medición precisa de la división de masa. Esta propiedad dicta la frecuencia de las oscilaciones de neutrinos.
«La medición de la división de masa no era uno de los objetivos de diseño originales de Daya Bay, pero se volvió accesible gracias al valor relativamente grande de theta13», dijo Luk. «Medimos la división de masa al 2,3 % con el conjunto de datos final de Daya Bay, una mejora con respecto al 2,8 % de precisión de la medición anterior de Daya Bay».
En el futuro, la colaboración internacional de Daya Bay espera informar hallazgos adicionales del conjunto de datos final, incluidas actualizaciones de mediciones anteriores.
Los experimentos de neutrinos de próxima generación, como el Experimento de neutrinos subterráneos profundos (DUNE), aprovecharán los resultados de Daya Bay para medir y comparar con precisión las propiedades de neutrinos y antineutrinos. Actualmente en construcción, DUNE proporcionará a los físicos el haz de neutrinos más intenso del mundo, detectores subterráneos separados por 800 millas y la oportunidad de estudiar el comportamiento de los neutrinos como nunca antes.
«Como uno de los muchos objetivos de la física, DUNE espera medir theta13 con casi la misma precisión que Daya Bay», dijo Elizabeth Worcester, física experimental de Brookhaven y colaboradora de Daya Bay. «Esto es emocionante porque luego tendremos mediciones theta13 precisas de diferentes canales de oscilación, que probarán rigurosamente el modelo de tres neutrinos. Hasta que DUNE alcance esa alta precisión, podemos usar la medición theta13 precisa de Daya Bay como una restricción para permitir la búsqueda de diferencias entre las propiedades de los neutrinos y antineutrinos».
Los científicos también aprovecharán el gran valor theta13 y los neutrinos del reactor para determinar cuál de los tres neutrinos es el más ligero. «La medición theta13 precisa de Daya Bay mejora la sensibilidad de ordenación de masas del Observatorio de Neutrinos Subterráneo de Jiangmen (JUNO), que completará su construcción en China el próximo año», dijo Yifang Wang, portavoz de JUNO y director de IHEP. «Además, JUNO logrará una precisión de nivel inferior al porcentaje en la división de masa medida por Daya Bay en varios años».
El experimento Daya Bay Reactor Neutrino cuenta con el apoyo del Ministerio de Ciencia y Tecnología de China, el programa de Física de Alta Energía de la Oficina de Ciencias del DOE, la Academia de Ciencias de China, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y otras agencias de financiación. La colaboración de Daya Bay tiene 237 participantes en 42 instituciones en Asia, Europa y América del Norte.
*Los físicos miden theta13 en términos de su amplitud de oscilación, o lo que matemáticamente se escribe como sin22θ13.
