Neutrinoak: antimateriaren sekretuak argitzen

Esteban Muñoz, Ivan

Fisikako ikertzailea

neutrinoak-antimateriaren-sekretuak-argitzen
Arg. PublicDomainPictures

Noiz eta nola sortu zen gure unibertsoa? Zergatik dago materiaz beteta? Gizateriak betidanik hausnartutako galderak dira horiek. Eta, harrigarria badirudi ere, zientzia galdera horiei erantzuten hasi den unean bizi gara.

Horretarako, azken mendean, hainbat ideia teoriko ausart, esperimentu erraldoiak eta zortea behar izan dira. Azken urte hauetan, galdera horiei erantzunen bat aurkitzekotan, zientzialariak partikula iheskor bat ikertzen dabiltza: neutrinoa.

Leherketa Handi baten hautsa gara

Dauzkagun datuen arabera, gure unibertsoa leherketa handi batean hasi zen (Big Bang izenekoa), izugarrizko energiaz: trilioi bat bonba atomiko baino gehiagoren energia zentimetro kubiko bakoitzeko. Energia horrek guztiak gaur egun dagoen materia sortu zuen, Einsteinen formula famatuak azaltzen duen bezala: E = mc2. Formularen arabera, energia masa bihurtu daiteke. Edo, alderantziz, energia-kantitate izugarriaz, masa sortu.

Teoria horrek, edonola ere, arazo handi bat dauka. XX. mendearen hasieran, zientzialariek partikula bitxi batzuk aurkitu zituzten: materia arrunta ziruditen, baina materia arruntarekin topo egitean, elkar suntsitzen zuten argi-distira bat sortuz. Gauzaki horri antimateria deitu zitzaion, eta gehiago ikertu ahala aurkitu zen partikula guztiek antipartikula bat zutela. Are gehiago, esperimentu guztietan, materiak eta antimateriak bereizezinak ziruditen: sistema baten partikula guztiak haien antipartikulekin trukatzen baziren, sistemaren jokaera ez zen batere aldatzen.

Neutrinoen iturriak, eta zentimetro karratu eta segundo bakoitzeko sortzen duten neutrino-kopurua. Unibertsoan, Big Bangean, supernobetan edota Eguzkian neutrino asko eta asko sortzen da. Izpi kosmiko batek atmosferarekin talka egitean ere neutrinoak sortzen dira. Lurrean, zentral nuklearretan edo giza gorputzean dauden elementu erradioaktiboek ere sortzen dituzte neutrinoak. Azkenik, partikula-azeleragailuetan neutrino-izpiak sor ditzakegu.

Hortaz, partikulak eta antipartikulak bereizezinak badira, Big Bangean partikula eta antipartikula kopuru bera sortuko zen. Berehala elkar suntsitu, eta, gero, unibertsoa argiz beterik utziko zuten. Eta ez litzateke materiarik geratuko galaxiak, izarrak, planetak eta gu geu osatzeko.

Materia eta antimateriaren arteko ezberdintasunen bila

Paradoxa hori dela eta, XX. mendeko bigarren erdialdetik aurrera, zientzialari gehienek uste zuten materia eta antimateria ez direla berdin-berdinak. Ezberdintasun txikienak ere antipartikula baino partikula gehiago sortuko lituzke Big Bangean, antipartikula guztiak partikulekin suntsituko lirateke, eta geratuko liratekeen partikulek gaur egungo unibertsoa osatuko lukete. Baina esperimentuek soilik sustraitzen dute zientzia. Zorionez, 1964. urtean, AEBko ikerketa-talde batek aurkitu zuen erreakzio nuklearretan sortutako partikula batzuk eta haien antipartikulak era ezberdinean desintegratzen direla. Hala ere, gehiago ikertu ahala esperimentu guztiek ondorio bera zuten: aurkitutako ezberdintasuna ahulegia zen gure unibertsoan dagoen partikula-kopuru handia azaltzeko.

Hori dela eta, gure unibertsoa ulertzeko ahaleginean, beste partikula batzuetan jarri zuen arreta zientziak: neutrinoetan, hain zuzen ere. Zientziak aurkitutako partikularik arinetarikoak eta iheskorrenak dira neutrinoak. Erreakzio nuklearretan ugari sortu arren, 25 urte pasa ziren teorikoki proposatu zirenetik esperimentalki aurkitu ziren arte, haien elkarrekintzak ahulegiak baitira. Izan ere, segundo bakoitzeko Eguzkitik datozen ehun bilioi neutrinok gure gorputza zeharkatzen badute ere, gure bizitzan batek bakarrik egingo du talka gurekin, batez beste. Horregatik, detektagailu handiak behar dira neutrinoak ikertzeko: zenbat eta materia gehiago egon detektagailuan, orduan eta probabilitate handiagoz eragingo diote elkarri neutrino batek eta materiak. Gaur egungo detektagailuak kontinentearteko hegazkinak baino handiagoak dira! Iheskorrak izan arren, sortzeko errazak dira neutrinoak. Eguzkira begiratu, eta bilioika neutrino jasoko dituzu. Zentral nuklear batera hurbildu, eta milioi bat aldiz gehiago neutrino iritsiko da zure detektagailura. Protoi-izpi batek material dentso batekin talka egin, eta neutrino-izpi bat sortuko da.

Partikula guztiek bezala, antipartikula bat dute neutrinoek: antineutrinoa. Eta, azken urteotan, neutrinoen eta antineutrinoen arteko ezberdintasunak agertzen hasi dira esperimentuetan.

Big Banga eta materiaren jatorria. Big Bangean partikulak eta antipartikulak sortu ziren [ezkerra]. Haien arteko ezberdintasun txiki batek antipartikula baino partikula gehiago sortuko lituzke. Denborak aurrera egin ahala [eskuina], antipartikulak partikulekin suntsituko lirateke, eta gure unibertsoa osatzen duten partikulak utzi.

Neutrinoak: hiru zaporeen istorioa

Ezberdintasun horiek ulertzeko, neutrinoen propietate garrantzitsu bat ulertu behar da: zaporea. Partikula-teorien eta -esperimentuen arabera, hiru neutrino-mota edo -zapore daude. Zapore bakoitza erreakzio ezberdin batean sortzen da, eta era ezberdineko elkarrekintzak ditu. Are gehiago, teorikoki neutrino batek ez du inoiz bere zaporea aldatzen.

Edo hori uste zuten zientzialariek. XX. mendearen amaieran, zenbait esperimentu erraldoi egin zen Eguzkitik eta izpi kosmikoetatik datozen neutrinoak detektatzeko. Neutrino horien zaporea oso ondo ulertzen da teorikoki, baina detektagailuetara neutrino batzuk beste zapore batekin iristen ziren. Are gehiago, zenbat eta distantzia gehiago zeharkatu, orduan eta neutrino gehiagok aldatzen zuten beren zaporea. Gertakari horrek guztiz harritu zituen zientzialariak, eta eredu teorikoak aldatzera behartu zituen.

Esperimentu horien emaitzak azaltzeko, proposatu zen neutrinoek masa txiki bat zutela. Azalpenik sinpleena zen hori, eta masa ñimiño bat ere (10-37 kg, gutxi gorabehera: elektroi bat baino milioi bat aldiz gutxiagoa) nahikoa zen neutrinoen zapore-aldaketak ulertzeko. Proposamen hori ikertzen hastean, ondorio harrigarri batez konturatu ziren zientzialariak: neutrinoen masak zapore-aldaketak eragiten bazituen, posible litzateke neutrinoak eta antineutrinoak era ezberdinean aldatzea zaporez. Hau da, materiaren eta antimateriaren arteko ezberdintasunak ikertzeko aukera berri bat eskaintzen zuten neutrinoek.

Antimateria ulertzen, neutrino-esperimentuekin

Neutrinoen zapore-aldaketei buruz gehiago jakin ahala, gero eta nabariagoa zen neutrinoek eta antineutrinoek era ezberdinean alda zezaketela zaporea. Eta horrek azaldu lezake zergatik dagoen gure unibertsoa materiaz beteta. Hori hobeto ulertzeko, bi esperimentutan ari dira datuak hartzen gaur egun: NOnA, AEBn; eta T2K, Japonian. Esperimentu horietan, protoi-izpi batek grafito zati batekin egiten du talka, hainbat partikula sortuz. Partikula horiek desintegratzean, neutrino- eta antineutrino-kopuru handia sortzen da. Are gehiago, protoiek grafitoaren aurka talka egitean sortutako partikulak eremu magnetikoen bidez kontrola daitezke, soilik neutrinoetara edo antineutrinoetara desintegra daitezen.

NOnA neutrino-esperimentuaren detektagailua. Neutrinoek interakzio gutxi dutenez, detektagailuak erraldoiak dira neutrino baten talka egiteko probabilitatea handitzeko.

Horrela, neutrino- edo antineutrino-izpiak sor daitezke. 500-800 bat kilometro zeharkatzen dituzte lur azpitik, eta detektagailu erraldoietan detektatzen dira. Esperimentu horietako emaitzak aztertu eta gero, jakin daiteke ea neutrinoek eta antineutrinoek era berean aldatzen duten zaporea ala ez.

Hala ere, esperimentu bakar bat ez da nahikoa behin betiko emaitzak lortzeko. Horretarako, esperimentu askoren datuak batu behar dira eredu teoriko bakarrean. Eta hori da nire tesiaren oinarria. Lehenik eta behin, T2K eta NOnA esperimentuen simulazioak garatu ditut, haien emaitzak esparru komun batean ulertu ahal izateko. Azken hamarkadetako beste neutrino-esperimentu batzuen emaitzekin bat egin eta gero, neutrinoen zapore-aldaketei buruz dakigun guztia kuantifika daiteke tresna estatistikoekin.

Analisi horren emaitza izan da neutrinoak eta antineutrinoak ezberdinak direla. Are gehiago, ezberdintasun hori nahiko handia da: 1964. urtean aurkitutakoa baino mila aldiz indartsuagoa! Hortaz, emaitza hori harrigarria zein zirraragarria da: baliteke neutrinoak Big Bangeko materia eta antimateriaren arteko ezberdintasunaren giltza izatea.

Hala ere, esperimentu horien emaitzak ulertzea ez da erraza. Detektagailura iritsi baino lehen, neutrinoek ehunka kilometro zeharkatzen dituzte. Gure teorien arabera, horrek ez luke emaitzetan eragin handirik izan behar. Baina neutrinoek teoriak ezeztatu zituzten jada orain dela 30 urte: nahitaezkoa da datuak aurreiritzi teorikorik gabe aztertzea. Eta, neutrinoek materiarekin elkarreragin arraroak badituzte, baliteke datuak beste modu batera interpretatu behar izatea.

Horixe izan da nire tesiaren bigarren zatia. Neutrinoek materiarekin izan ditzaketen elkarreraginak aztertu ditut, baita beste esperimentu batzuek elkarreragin horiek baliogabetu ote dituzten ere. Are gehiago, elkarreragin berriek materiaren eta antimateriaren arteko ezberdintasunak ekar ditzakete. Hori ulertzea ere funtsezkoa da neutrinoen eta antineutrinoen arteko ezberdintasunak ulertzeko.

NOnA neutrino-esperimentuaren detektagailua. Neutrinoek interakzio gutxi dutenez, detektagailuak erraldoiak dira neutrino baten talka egiteko probabilitatea handitzeko.

Horrela, eredu teoriko orokorragoetan aztertu ahal izan ditut esperimentuen datu guztiak. Horrek emaitza interesgarria izan du: badirudi esperimentuek oraingoz aurkitu dutena izan dela neutrinoak eta antineutrinoak ezberdinak direla, eta ez beste elkarreragin batzuen ondorioa. Hori ondorioztatzeko, garrantzitsua izan da orain arte neutrinoekin hainbat esperimentu egin izatea, eta ezinbestekoa izango da etorkizunean.

Interesgarriki, Euskal Herrian egiten ari dira halako esperimentu batentzako oinarrizko osagai batzuk. Urte gutxi barru, Neutroien Espalazio Iturri Europarra (ESS, ingelesez) eraikiko da Suedian, Bilbo aldeko enpresa batzuen partaidetzaz. ESS-k neutroi-izpi bat sortuko du materialen zientzia ikertzeko. Baina neutroiak sortzeko prozesu berak hamaika neutrino sortuko du. Neutrino horiek ez dute beren zaporea aldatuko, eta ez dute balioko materia eta antimateriaren arteko ezberdintasuna aztertzeko. Hala ere, nire tesiaren atal batek frogatu duenez, neutrino horientzat detektagailu egokiak erabiliz, haien elkarreraginak ederki miatu ditzakegu. Horri esker, hobeto ulertu ahal izango dira neutrinoen zapore-aldaketen esperimentuak, eta, horrenbestez, neutrinoen eta antineutrinoen arteko ezberdintasunak.

Eta hori ez da neutrinoen teknologiaren eta Euskal Herriaren arteko lotura bakarra. Neutrinoen ikerketa errealitatetik urrun dagoela dirudien arren, halako partikulak behatzeko detektagailu zehatzak garatu dira. DIPCko PETALO proiektuak detektagailu zehatz hauek medikuntza nuklearrean erabili nahi ditu. Neutrinoei buruzko ezagutza ere bada txertoa!

Horrenbestez, pixkanaka-pixkanaka gizakiak gero eta gehiago daki unibertsoaren hasieraz. Antimateriaren misterioa argitzen doa partikula-esperimentuak egin ahala. Azken urteotan, badirudi neutrinoak izan daitezkeela giltza, eta horretarako hainbat esperimentu eraikitzen ari da munduan zehar. Horietatik zer ikasiko dugun eta emaitzek zer galdera berri ekarriko dizkiguten... auskalo!

Erreferentziak

[1] A. D. Sakharov, “Violation of CP Invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe,” Sov. Phys. Usp. 34 (1991) no.5, 392-393 doi:10.1070/PU1991v034n05ABEH002497.
[2] J. H. Christenson, J. W. Cronin, V. L. Fitch eta R. Turlay, “Evidence for the 2π Decay of the K20 Meson,”Phys. Rev. Lett. 13 (1964), 138-140 doi:10.1103/PhysRevLett.13.138.
[3] C. L. Cowan, F. Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse eta A. D. McGuire, “Detection of the free neutrino: A Confirmation,” Science 124 (1956), 103-104 doi:10.1126/science.124.3212.103.
[4] Q. R. Ahmad et al. [SNO], “Direct evidence for neutrino flavor transformation from neutral current interactions in the Sudbury Neutrino Observatory,” Phys. Rev. Lett. 89 (2002), 011301 doi:10.1103/PhysRevLett.89.011301.
[5] Y. Fukuda et al. [Super-Kamiokande], “Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos,”Phys. Rev. Lett. 81 (1998), 1562-1567 doi:10.1103/PhysRevLett.81.1562.
[6] D. S. Ayres et al. [NOvA], “NOvA: Proposal to Build a 30 Kiloton Off-Axis Detector to Study νμ → νe Oscillations in the NuMI Beamline,” arXiv:hep-ex/0503053 [hep-ex].
[7] K. Abe et al. [T2K], “The T2K Experiment,” Nucl. Instrum. Meth. A 659 (2011), 106-135 doi:10.1016/j.nima.2011.06.067.
[8] K. Abe et al. [T2K], “Constraint on the matter-antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations,” Nature 580 (2020) no.7803, 339-344 [erratum: Nature 583 (2020) no.7814, E16] doi:10.1038/s41586-020-2177-0.
[9] I. Esteban, M. C. Gonzalez-Garcia, A. Hernandez-Cabezudo, M. Maltoni eta T. Schwetz, “Global analysis of three-flavour neutrino oscillations: synergies and tensions in the determination of θ23, δCP, and the mass ordering,” JHEP 01 (2019), 106 doi:10.1007/JHEP01(2019)106.
[10] I. Esteban, M. C. Gonzalez-Garcia eta M. Maltoni, “On the Determination of Leptonic CP Violation and Neutrino Mass Ordering in Presence of Non-Standard Interactions: Present Status,” JHEP 06 (2019), 055 doi:10.1007/JHEP06(2019)055.
[11] D. Baxter et al. “Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering at the European Spallation Source,” JHEP 02 (2020), 123 doi:10.1007/JHEP02(2020)123.
[12] P. Ferrario, V. Herrero-Bosch, J. M. Benlloch-Rodríguez, C. Romo-Luque eta J. J. Gómez-Cadenas, “PETALO: Time-of-Flight PET with liquid xenon,” doi:10.1109/NSSMIC.2018.8824744.

Idatzi zuk zeuk Gai librean atalean

Gai librean aritzeko, bidali zure artikulua aldizkaria@elhuyar.eus helbidera
Hauek dira Gai librean atalean Idazteko arauak

Gehitu iruzkin bat

Saioa hasi iruzkinak uzteko.

Babesleak
Eusko Jaurlaritzako Industria, Merkataritza eta Turismo Saila
MAIER Koop. Elk.
KIDE Koop. Elk.
ULMA Koop. Elk.
EIKA Koop. Elk.
LAGUN ARO Koop. Elk.
FAGOR ELECTRÓNICA Koop. Elk.