Interior del detector Super-Kamiokande (Fuente: https://t2k-experiment.org/)

La Universidad de Sevilla, a través del grupo de Física de neutrinos del departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear, son desde este mes de junio miembros oficiales del experimento T2K en Japón. De esta forma, la Universidad de Sevilla se vincula al mayor experimento actual en el estudio de las oscilaciones de neutrinos en el cual están involucrados más de 70 instituciones de 12 países de todo el mundo.

Los neutrinos, de gran notoriedad en los últimos años, son unas partículas extremadamente ligeras y esquivas, pues rara vez interaccionan con la materia, lo que las hace muy difíciles de detectar. Al contrario de lo que se podría pensar, están presentes en grandes cantidades en todo el Universo y, de hecho, trillones de neutrinos atraviesan el planeta cada segundo casi a la velocidad de la luz sin que nos demos cuenta. La mayoría de ellos proceden del Sol y de la atmósfera, otros se producen en la Tierra por la desintegración de ciertas partículas y átomos, e incluso algunos tienen su origen en lejanas explosiones de estrellas y supernovas.

Recientemente, se observó que la naturaleza de estas partículas podía ser cambiante en su propagación a través del espacio. Este fenómeno, conocido como oscilaciones de neutrinos, ha sido descubierto en los experimentos SuperKamiokande y SNO (Premio Nobel de Física 2015: Takaaki Kajita, Arthur McDonald). Dicho proceso, por el cual un neutrino producido con una característica específica (sabor) puede ser medido posteriormente con esa propiedad cambiada, tiene grandes implicaciones en la Física actual, pues permitiría obtener información sobre la existencia de materia oscura, las explosiones de supernovas, la producción de energía solar y la asimetría materia-antimateria en el Universo.

El experimento japonés T2K (Tokai to Kamioka), al que se ha unido la Universidad de Sevilla, constituye uno de los de mayor relevancia en este campo y está íntimamente relacionado con SuperKamiokande. En Tokai, la costa este de Japón, T2K produce un intenso haz de neutrinos en un acelerador de partículas, el cual se envía a una antigua mina de Kamioka, en la otra costa de Japón a unos 295 km de distancia, donde está SuperKamiokande. Allí, a unos 1000 metros de profundidad, se sitúa un inmenso tanque de agua de 50.000 toneladas rodeado de unos 11000 detectores con el objetivo de detectar los neutrinos que llegan desde Tokai. Al mismo tiempo, en Tokai se estudian los neutrinos con un detector situado cerca del acelerador que los produce. Ello permite analizar la naturaleza oscilante de estas partículas entre el momento de su origen y tras haber viajado una distancia considerable.

La relevancia de los resultados obtenidos por T2K y SuperKamiokande en los últimos años está ampliamente acreditada por los numerosos premios recibidos (2 Premios Nobel, Breakthrough Prize, etc.) así como por sus recientes publicaciones en las que se ha observado la primera evidencia de asimetría materia-antimateria en neutrinos (Nature 580, 339-344), habiendo obtenido el reconocimiento de la revista Nature como uno de los 10 descubrimientos del año 2020.

El grupo de la Universidad de Sevilla que se integrará en esta colaboración está formado por el profesor Juan Antonio Caballero Carretero, el investigador postdoctoral Guillermo Daniel Megías Vázquez y los doctorandos Juan Manuel Franco Patiño y Jesús González Rosa. Este grupo tiene una amplia experiencia en el desarrollo de modelos teóricos que describen la interacción neutrino-núcleo, los cuales resultan esenciales para el estudio de las oscilaciones de neutrinos. Los miembros del grupo de la US colaborarán en el desarrollo e implementación de modelos teóricos en los generadores de eventos experimentales de T2K con el fin de reducir las incertidumbres experimentales asociadas al medio nuclear y mejorar la precisión en el estudio de las oscilaciones de neutrinos. Esta colaboración reforzará las líneas de investigación ya establecidas con T2K y SuperKamiokande, donde Guillermo Megías se encuentra trabajando actualmente con un proyecto europeo Marie Skłodowska-Curie coordinado por el Profesor Takaaki Kajita en el ICRR (Institute for Cosmic Ray Research) de la Universidad de Tokio, y donde Juan A. Caballero es Investigador Principal de dos proyectos de investigación inter-universitarios con el ICRR.

Asimismo, la participación en T2K permitirá a los investigadores de la US realizar estancias en las instalaciones de T2K y SuperKamiokande, centradas en la supervisión y monitorización del funcionamiento y la toma de datos del experimento, así como de su posterior análisis. De manera periódica, también asistirán a congresos y reuniones internacionales de la colaboración en Japón, y participarán en tareas de investigación en el CERN junto con el grupo del IFAE-Barcelona (T. Lux) y la Universidad de Ginebra (F. Sánchez) para la mejora y optimización de detectores (ND280 Upgrade) que se usarán en fases posteriores del experimento.

La propuesta de la Universidad de Sevilla fue aprobada por unanimidad por el Comité Internacional de T2K a finales de mayo y contó con el apoyo institucional del Vicerrectorado de Investigación de la US, que lo considera una línea estratégica de investigación, habiendo aprobado en abril una Acción Especial (VIPPIT-2021-IV.11) del VI Plan Propio de Investigación para apoyar la participación de los investigadores de la US en T2K durante los próximos años.