Leptonic cp violation and its origin

Resumen

Esta tesis se centra en la cuantificación y caracterización de los resultados experimentales que apuntan hacia la existencia de violación de la simetría CP en el sector leptónico. Se hace especial énfasis en el origen físico de esta señal, para cuya interpretación se emplean datos recogidos por diversos experimentos de neutrinos. Los resultados presentados en esta tesis se basan en trabajos publicados en revistas internacionales de física de altas energías. El Modelo Estándar es el paradigma actual para describir los componentes más fundamentales de la naturaleza y sus interacciones. Para su construcción tanto teórica como experimental, los neutrinos desempeñaron un papel importante. Pese a ello, los neutrinos son las partículas elementales más elusivas que se han logrado detectar. Cuando fueron inicialmente propuestos por Wolfgang Pauli, para explicar la conservación de la energía en decaimientos nucleares beta, se pensó que su detección era imposible. El motivo es su minúscula sección eficaz de interacción: el poder penetrante en materia sólida de neutrinos emitidos en decaimientos beta es del orden de 10 000 años luz. Por ello, no fue hasta 26 años después de que fueran propuestos teóricamente que se pudieron detectar en un experimento subterráneo llevado a cabo por C.L. Cowan y F. Reines. Las primeras características de los neutrinos medidas experimentalmente estaban de acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar. Por una parte, los neutrinos se introdujeron en el modelo mínimamente, solo para explicar sus interacciones. Esto hace que no exista ninguna manera de dar masa a los neutrinos consistentemente con las simetrías del modelo sin introducir nuevos grados de libertad. Por tanto, el Modelo Estándar predecía que los neutrinos tienen una masa exactamente cero, tal y como confirmaban cotas obtenidas mediante medidas cinemáticas. Por otra parte, la misma estructura matemática que prohíbe que los neutrinos tengan masa también predice que su sabor (definido como el tipo de leptón cargado generado junto con la producción o detección del neutrino) debe conservarse. Los primeros experimentos con neutrinos confirmaron asimismo esta predicción. Pero los paradigmas en física fundamental parecen incapaces de sobrevivir más de cinco décadas. A finales del siglo XX, una serie de experimentos que estudiaban neutrinos provenientes del Sol o de rayos cósmicos que colisionaban contra la atmósfera terrestre mostraron que estas partículas pueden cambiar su sabor, comportándose de una manera que el Modelo Estándar prohíbe explícitamente. El camino hacia la comprensión de las propiedades de los neutrinos, que podría revelar la siguiente estructura subyacente de la naturaleza, ha guiado desde entonces a miles de científicos. El escenario al inicio del trabajo de esta tesis estaba impulsado por la última sorpresa experimental de los neutrinos: los primeros indicios que apuntan hacia su fuerte violación de la simetría materia-antimateria. En este sentido, uno de los misterios más profundos de la ciencia moderna, que podría guiarnos hacia una descripción más precisa de la naturaleza, es la asimetría materiaantimateria del Universo. La antimateria aparece de forma natural de la siguiente manera: las interacciones en el Modelo Estándar están mediadas por partículas de espín 1 con una simetría gauge asociada a ellas. Las partículas cargadas bajo estas interacciones han venir descritas por campos de números complejos, ya que las transformaciones gauge modifican su fase. Por tanto, la cantidad de grados de libertad Página 3 de 6 se duplica. Una consecuencia inmediata es la existencia de antimateria, es decir, partículas con propiedades cinemáticas idénticas pero con toda «carga» (asociada tanto a simetrías globales como gauge) opuesta. Como consecuencia, las partículas y antipartículas se pueden aniquilar eficientemente dando lugar a los mediadores de la interacción. De acuerdo con el modelo del Big Bang, toda la materia en el Universo estuvo en algún momento en equilibrio térmico, es decir, su abundancia solamente dependía de su masa. Por consiguiente, en el Universo primitivo debería haber iguales cantidades de materia que de antimateria, que se habrían aniquilado dejando un Universo que contendría solamente radiación. Nuestra propia existencia, por tanto, exige una interacción que distinga entre materia y antimateria, creando más de la primera fuera del equilibrio térmico. Ingenuamente distinguir entre materia y antimateria simplemente requeriría que dicha interacción violara la simetría de conjugación de carga C. Pero esto no es suficiente, porque las partículas también tienen un grado de libertad interno adicional: la helicidad. Por lo que si una interacción viola C pero conserva CP, la acción combinada de C y la inversión espacial (o paridad) P, creará la misma cantidad de partículas con una helicidad que de antipartículas con la helicidad opuesta. Como, por lo que sabemos, las partículas elementales no tienen más grados de libertad internos, distinguir entre materia y antimateria solamente requiere una interacción que viole C y CP. Si bien es relativamente sencillo construir una teoría que viole C (la interacción débil, por ejemplo, lo hace de manera máxima), es algo más elaborado formular una interacción que viole también CP. En el Modelo Estándar, dicha interacción existe para los quarks siempre que haya tres generaciones de partículas. No obstante, su intensidad no es suficientemente fuerte como para generar la asimetría materia-antimateria del Universo. Sin embargo, la nueva física que induce las transiciones de sabor de los neutrinos está mostrando indicios de violar fuertemente CP. Caracterizar su significación estadística, robustez y origen físico es el principal objetivo que persigue esta tesis. Para poner este problema en contexto, se comienza resumiendo las propiedades básicas del Modelo Estándar relevantes para las interacciones de neutrinos y para la violación de CP. Además, se explora cómo el modelo se puede extender para incluir masas de neutrinos y mezcla leptónica, y cómo esto explica de forma natural las transiciones de sabor observadas en los neutrinos. Lo que es más, la mezcla leptónica entre tres generaciones abre la posibilidad de que exista violación de CP. Por tanto, las masas de los neutrinos serían no solo nuestra primera prueba en el laboratorio de que existe física más allá del Modelo Estándar, sino también una fuente potencialmente grande de asimetría materia-antimateria. Pero la física, como toda ciencia, ha de estar fundamentada en datos experimentales. Para establecer y parametrizar empíricamente el mecanismo responsable de las transiciones de sabor de los neutrinos, durante las últimas tres décadas se viene llevando a cabo un vasto programa experimental. Este comenzó detectando con precisión las transiciones de sabor en neutrinos solares y atmosféricos. Estas medidas fueron posteriormente confirmadas con haces de neutrinos artificiales provenientes de reactores nucleares y aceleradores de partículas. Después de que una serie de experimentos de neutrinos provenientes de reactores nucleares midieran el último ángulo de mezcla leptónico, había aún tres preguntas sin respuesta experimental: el octante del ángulo de mezcla responsable de las transiciones de sabor de neutrinos atmosféricos, el orden de los autoestados de masa de los neutrinos, y la existencia y magnitud de la violación de CP leptónica. Para desentrañar estas incógnitas, particularmente la violación de CP, hay un amplio programa de experimentos de neutrinos con aceleradores a largas distancias, tanto presentes como futuros. En estos experimentos, un haz de protones acelerado choca contra un blanco, produciendo piones que, tras decaer, dan lugar a un haz de neutrinos. Este haz de neutrinos, originalmente de sabor principalmente muónico, se detecta en sabores muónico y electrónico después de viajar centenares de kilómetros. En particular, el canal de aparición de neutrinos electrónicos aborda las tres cuestiones abiertas arriba mencionadas. Al principio del desarrollo de esta tesis, el experimento de neutrinos con acelerador a larga distancia NOvA publicó sus primeros resultados. Para obtener una visión global, en el presente trabajo estos datos se combinan con los resultados de otros experimentos de neutrinos relevantes. Con ello, se puede evaluar cuantitativamente el estatus de la mezcla leptónica y de la violación de CP. Asimismo, se comprueba que el límite gaussiano, que normalmente se da por sentado en análisis estadísticos, es una buena aproximación para evaluar la significación de la violación de CP leptónica. Página 4 de 6 Posteriormente, se resume la evolución de dicha significación conforme los experimentos de neutrinos con aceleradores han publicado resultados. Finalmente, se resume el estatus global de la mezcla leptónica al finalizar esta tesis. Según las incógnitas empezaban a clarificarse, los datos apuntaban hacia una violación de CP máxima. Este indicio, en ligera tensión con los datos de NOvA, está dominado por un exceso de neutrinos electrónicos en el experimento de neutrinos con acelerador a larga distancia T2K. Dentro del paradigma de tres neutrinos masivos, y con el resto de parámetros de mezcla leptónica medidos con precisión en varios experimentos, el exceso solamente se puede acomodar mediante una violación de CP grande. A pesar de esto, tres neutrinos masivos es solamente una extensión mínima del Modelo Estándar: podría haber otra nueva física enmascarando los resultados, ya que la violación de CP leptónica aún no se ha medido de manera directa y concluyente. Por ello, esta tesis reseña la nueva física que podría afectar a los experimentos de transicionesde sabor de neutrinos. El escenario menos acotado por otros experimentos, las interacciones no estándar de corriente neutra entre neutrinos y materia (NSI, de sus siglas en inglés), afecta a las transiciones de sabor de los neutrinos modificando la dispersión coherente con el medio atravesado. Las NSI podrían introducir nuevas degeneraciones y fuentes de violación de CP. Físicamente, su origen son nuevas interacciones entre neutrinos y materia mediadas por partículas potencialmente ligeras. En cualquier caso, este trabajo adopta un punto de vista agnóstico y estudia las consecuencias fenomenológicas de los modelos de NSI independientemente de su origen. Posterioremente, estos modelos se confrontan con datos experimentales. Debido a la gran dimensión del espacio de parámetros, primero se exploran NSI que conservan CP (es decir, sus módulos). Se evalúan las cotas actuales, así como las sinergias y complementariedad entre diferentes experimentos. Gracias a que estos detectan neutrinos con diferentes energías y que han recorrido diferentes distancias, la determinación de los parámetros de mezcla leptónica resulta ser bastante robusta. Por ello, es posible avanzar un paso más y evaluar la sensibilidad actual a la violación de CP leptónica suponiendo que existen las NSI más genéricas que violan CP. La violación de CP inducida por las masas de los neutrinos y por la mezcla leptónica resulta ser bastante robusta, debido a la gran cantidad de datos de transiciones de sabor de neutrinos recopilados a lo largo de tres décadas. En cualquier caso, las NSI introducen una degeneración exacta a nivel de probabilidad de transición de sabor. Esta degeneración reduce la sensibilidad a violación de CP leptónica. Aunque hoy en día el efecto no es muy drástico debido a la limitada sensibilidad experimental, la siguiente generación de experimentos con aceleradores a largas distancias pretende llevar a cabo medidas de precisión que podrían verse severamente afectadas. Debido a ello, sería altamente beneficioso constreñir independientemente las NSI. En principio, se podrían obtener restricciones fuertes con experimentos de dispersión de corriente neutra o con medidas de precisión electrodébiles con leptones cargados. Sin embargo, las NSI afectan a la propagación de los neutrinos modificando la dispersión coherente con el medio atravesado, un proceso con transferencia de momento nula que ha de ser comparada con las típicas transferencias de momento en otros experimentos, O(GeV). Si la partícula mediadora de las NSI es suficientemente ligera, sus efectos estarían suprimidos para transferencias de momento altas, y se evadirían cotas de otros experimentos. Afortunadamente, durante los últimos años el experimento COHERENT ha proporcionado cotas independientessobre las NSI. Este experimento emplea el flujo de neutrinos producido mediante decaimiento de piones en reposo en las fuentes de espalación de neutrones, abundante y que se comprende bien. COHERENT mide la dispersión coherente de corriente neutra entre neutrinos y núcleos, un proceso en el que un neutrino interactúa coherentemente con todo un núcleo atómico. Esto ocurre cuando el momento intercambiado es del orden del inverso del tamaño nuclear, O(MeV). Debido a las bajas transferencias de momento, este proceso es bastante sensible a NSI inducidas por mediadores ligeros. En el último capítulo de la tesis, los datos del experimento COHERENT se analizan e integran en los análisis globales de los capítulos previos. Esto requiere comprender rigurosamente el procedimiento para analizar los datos de COHERENT. Se presta particular atención a cómo los resultados dependen de las suposiciones sobre la señal de fondo en el experimento, la estructura nuclear, y la respuesta del detector. La combinación de los datos de COHERENT con los de experimentos de transición de sabor desvela su papel incipiente en aumentar la robustez de la interpretación global de los datos. Estos primeros resultados podrían mejorar ampliamente si se incrementase la Página 5 de 6 estadística de la señal y/o si las medidas se llevasen a cabo con diferentes núcleos, sensibles a diferentes modelos de NSI. Para ello, una instalación futura idónea es la Fuente Europea de Espalación de Neutrones. Producirá un haz de neutrinos cuya intensidad será un orden de magnitud mayor que la de COHERENT, y como aún se encuentra en construcción se podría habilitar espacio para diversos detectores modernos. Sus perspectivas para acotar NSI también se exploran en este trabajo. En resumen, esta tesis estudia el indicio en los datos actuales de una violación sustancial de CP en el sector leptónico. Primero cuantifica su significación global, y después procede a verificar su robustez respecto del marco teórico en el que se interpretan los datos experimentales. Para ello, los experimentos complementarios de interacción coherente entre neutrinos y núcleos juegan, y continuarán jugando en el futuro, un papel importante. Por ello, se aborda el problema desde una perspectiva global para evaluar rigurosamente si las medidas punteras de física de sabor leptónico están apuntando hacia una nueva violación fuerte de una simetría de la naturaleza. Página