La física de partículas es la rama de la física dedicada al estudio de los componentes fundamentales de la materia y de las leyes que rigen sus interacciones. Entre ellos destacan los neutrinos, partículas neutras de espín 1/2 que participan únicamente en interacciones débiles, ya que su extraordinaria naturaleza ha contribuido a ampliar los conocimientos sobre partículas elementales y a actualizar las teorías que las describen.
La existencia del neutrino tuvo que ser postulada por Wolfgang Pauli en 1930 para explicar los procesos de desintegración β, en los cuales la distribución energética del electrón emitido sugería la presencia de otra partícula de carga eléctrica neutra no detectada. Algunos años después, Hans Bethe y Rudolf Peierls demostraron que la probabilidad de interacción del neutrino con un núcleo era ínfima. De este modo, los neutrinos se consideraron indetectables durante un cuarto de siglo, hasta que Frederick Reines y Clyde Cowan consiguieron observarlos, más concretamente antineutrinos, mediante un experimento de desintegración beta inversa con antineutrinos producidos en reactores nucleares.
Desde entonces se han desarrollado diversos experimentos para estudiar esta partícula, obteniendo en algunos casos resultados inesperados. El Sol y la atmósfera son dos importantes fuentes naturales de neutrinos y diferentes experimentos han proporcionado medidas de su flujo, observando en ambos casos un déficit respecto a la predicción de los modelos teóricos. Estas discrepancias se conocen como las anomalías solares y atmosféricas que, tras varios años de controversia y confirmaciones experimentales, solo pudieron ser explicadas a través del fenómeno denominado oscilaciones de neutrinos, el cual describe el cambio que experimentan los neutrinos tras haber recorrido una cierta distancia.
Las oscilaciones de neutrinos son consecuencia de la existencia de mezcla de sabor en los neutrinos, cuyos autoestados de sabor o interacción no corresponden exactamente a los autoestados de masa o propagación, sino a una combinación lineal de ellos por medio de una matriz unitaria de mezcla. En el modelo de tres neutrinos activos, una parametrización estándar de esta matriz incluye tres ángulos de mezcla (θ12, θ13, θ23) y una fase δCP asociada a la violación de la simetría CP (más otras dos fases extra si los neutrinos son partículas de Majorana). Además, este fenómeno implica que las masas de los neutrinos no pueden ser nulas, requiriendo por tanto una modificación o extensión del Modelo Estándar, en el cual los neutrinos eran considerados partículas sin masa. Los experimentos de oscilaciones de neutrinos pueden medir las diferencias cuadráticas de masas ∆m21 y ∆m232 (donde ∆m2ij = m2i − m2j ), pero no las masas directamente, accesibles tan solo mediante medidas cosmológicas y experimentos de desintegración β y doble β sin neutrinos. A pesar de la certeza de que el neutrino es una partícula masiva, el origen de dicha masa es aún desconocido, como lo es la propia mezcla (el valor exacto de los parámetros de mezcla) e incluso el número de especies de neutrinos. Nociones de física de neutrinos y el marco teórico para el modelo de tres neutrinos activos se presentan en el Capítulo 2.
Las oscilaciones de neutrinos han sido confirmadas por los resultados de multitud de experimentos durante las pasadas décadas, los cuales han proporcionado medidas de los valores de los parámetros de oscilación mediante el estudio de neutrinos atmosféricos, solares y procedentes de reactores y aceleradores. Entre ellos, los experimentos de aceleradores a larga distancia que tienen acceso a oscilaciones de neutrinos en los tres sabores, son especialmente importantes, ya que pueden proporcionar medidas de los parámetros de oscilación atmosféricos θ23 y ∆m232, así como estimar el ángulo de mezcla θ13. Además, tras la reciente confirmación de que θ13 ̸= 0 por los experimentos con antineutrinos producidos en reactores nucleares, es posible investigar la violación de CP en el sector leptónico midiendo la fase δCP en los experimentos de oscilaciones de larga distancia, entre los cuales el experimento T2K ocupa una posición destacada.
El experimento T2K (Tokai-to-Kamioka) en Japón es un experimento de oscilaciones de neutrinos de larga distancia y el primero de esta clase en usar una configuración fuera del eje (off-axis), en la cual la dirección del haz de neutrinos forma un ángulo de 2.5◦ con respecto a la dirección hacia el detector lejano. T2K utiliza un haz de neutrinos muónicos de gran pureza, producido mediante la desintegración de las partículas secundarias (esencialmente piones y kaones) originadas en las interacciones con el blanco de grafito del haz de protones de 30 GeV generado en el Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) en Tokai. Mediante su configuración fuera del eje, la energía del haz de neutrinos se ajusta al máximo de la probabilidad de oscilación (∼600MeV para la distancia de T2K), realzando de este modo el canal de interacción de corriente cargada cuasielástico (CCQE) y reduciendo los canales que contribuyen al ruido de fondo.
El detector lejano del experimento T2K es Super-Kamiokande (SK), un detector Cˇerenkov de 50 kilotoneladas de agua situado a 1km de profundidad en la mina Kamioka, capaz de detectar los eventos candidatos a interacciones de neutrinos procedentes de su haz y de distinguir con gran eficiencia los eventos producidos por νμ y νe. Comparando estos eventos con la composición inicial del haz se puede determinar la fracción de neutrinos que han oscilado tras atravesar los 295 km de corteza terrestre que separan la fuente de neutrinos y el detector lejano. Para ello es necesario caracterizar con precisión el haz de neutrinos antes de oscilar, estudio que se realiza mediante un complejo de detectores cercanos, situados a 280 m del blanco, que se divide en un detector sobre el eje, INGRID, el cual monitoriza la dirección e intensidad del haz de neutrinos diariamente; y un detector situado fuera del eje (en la dirección hacia SK), ND280, que proporciona medidas de la probabilidad de los diferentes modos de interacción y mide el espectro energético y la composición en sabor del haz de neutrinos, y cuyos datos sirven para reducir algunos de los errores sistemáticos en los análisis de oscilaciones. La descripción del experimento T2K y sus detectores se encuentra en el Capítulo 3.
El experimento T2K realiza dos tipos de análisis de oscilaciones: análisis de desaparición de neutrinos muónicos, mediante el cual se miden los parámetros de oscilación atmosféricos θ23 y ∆m232; y análisis de aparición de neutrinos electrónicos, que proporciona medidas del ángulo θ13 y de la fase δCP . T2K comenzó a tomar datos en enero de 2010 y desde entonces se han acumulado 6.57 ×1020 protones en el blanco (POT) y se han observado en SK 120 eventos candidatos a interacciones de νμ y 28 de νe. Con estos datos, que suponen tan solo un ∼8% de la estadística final esperada, T2K ha obtenido la medida más precisa del ángulo θ23 y la más sólida evidencia de aparición de νe’s en un haz de νμ’s hasta la fecha.
Para llevar a cabo estos análisis es necesario simular detalladamente el flujo de neutrinos y las interacciones de estos en los diferentes detectores, usando datos externos para ajustar los modelos y reducir las incertidumbres iniciales. Aplicando el análisis de los datos del detector cercano, se reducen de manera significativa las incertidumbres estimadas relacionadas con el flujo en el detector lejano y algunas secciones eficaces que son comunes para los detectores cercano y lejano. Por otro lado, los errores sistemáticos debidos a las eficiencias en la selección de eventos en SK son estudiados mediante muestras de control de neutrinos atmosféricos, muones procedentes de rayos cósmicos y electrones asociados a su desintegración. Estas predicciones y medidas necesarias para realizar los análisis de oscilación se describen en el Capítulo 4.
Por lo general, los experimentos de oscilaciones de neutrinos realizan análisis independientes de desaparición de νμ’s y de aparición de νe’s, en los cuales se fijan los valores de los parámetros de oscilación que no se miden directamente en cada caso. Sin embargo, se ha demostrado que un cambio en los valores de estos parámetros fijos puede afectar de forma significativa los resultados obtenidos para los parámetros de oscilación medidos. Por lo tanto, es necesario desarrollar un nuevo tipo de análisis de oscilaciones que incluya correctamente todas las interdependencias entre los parámetros de oscilación: un análisis conjunto de oscilaciones de los tres sabores de neutrinos, combinando los canales de desaparición de νμ’s y de aparición de νe’s.
En esta tesis se presenta el primer análisis conjunto de oscilaciones de los tres sabores de neutrinos llevado a cabo por el experimento T2K, basado en técnicas estadísticas frecuentistas. Este análisis determina de forma simultánea los parámetros de oscilación ∆m232, sin2 θ23, sin2 θ13 y δCP 2 empleando un modelo de oscilaciones de tres neutrinos en materia (asumiendo densidad de materia constante).
Este análisis se describe a lo largo del Capítulo 5, comenzando con una visión general del proceso seguido para realizar los análisis de oscilación en la Sección 5.2. El modelo de oscilaciones de tres neutrinos en materia empleado se describe en la Sección 5.3, y en las Secciones 5.4 y 5.5 se explican respectivamente el cálculo de la predicción en SK y los errores sistemáticos considerados. Detalles sobre los métodos utilizados para hallar los valores de los parámetros de oscilación que producen el mejor ajuste a los datos y para construir los contornos en los diferentes espacios de parámetros se incluyen en la Sección 5.6.
En la Sección 5.7.1 se presentan los resultados de este primer análisis de oscilación conjunto realizado por el experimento T2K, ajustando los datos correspondientes a un total de 6.57 ×1020 POT.
Recientemente, experimentos con antineutrinos electrónicos producidos en reactores nucleares han obtenido una medida muy precisa del ángulo θ13. El ajuste a los datos de T2K se ha llevado a cabo también en combinación con la medida de sin2 θ13 proporcionada por estos experimentos, y los resultados obtenidos se presentan en la Sección 5.7.2. Cabe destacar que, aplicando la restricción para el ángulo θ13 obtenida por los experimentos con reactores, T2K ha obtenido la primera estimación del valor de la fase δCP , siendo el valor que mejor ajusta los datos de T2K consistente con -π/2, y las regiones excluidas al 90% CL:
[0.146,0.825] π para jerarquía de masas normal y [-0.080,1.091] π para jerarquía de masas invertida.
Al final del Capítulo 5 se incluye una pequeña introducción a futuras mejoras de este análisis, mientras que el Capítulo 6 describe los estudios de sensibilidad del experimentoT2K, por ejemplo a establecer que sinδCP ̸=0, la cual puede mejorar notablemente en combinación con otros experimentos futuros. Finalmente, las conclusiones se presentan en el Capítulo 7.
Además se han incluido una serie de apéndices al final de este documento. En primer lugar, en el Apéndice A se presentan los últimos resultados de los análisis de oscilación independientes realizados con los datos más recientes del experimento T2K. Después, en el Apéndice B se resumen los estudios realizados para investigar el efecto producido por los parámetros de oscilación solares cuando estos son incluidos en el análisis. Los Apéndices C y D detallan los estudios de validación realizados para el análisis de oscilación conjunto presentado en esta tesis. Y finalmente el Apéndice E muestra la diferencia entre los valores de sin2 θ23 correspondientes a mezcla máxima y máxima desaparición de νμ
