Takaaki Kajita: la dirección que marcó la diferencia
El déficit de neutrinos atmosféricos llevaba años visible en los datos antes de 1998, y no había convencido a nadie. La aportación de Kajita fue añadir la única variable que volvía insostenibles las explicaciones alternativas: de dónde venía cada neutrino y, por tanto, cuánta distancia había recorrido antes de llegar.
La anomalía antes de la respuesta
Los rayos cósmicos que golpean la alta atmósfera producen cascadas con neutrinos muónicos y electrónicos en una proporción que la teoría predice con bastante precisión: unos dos muónicos por cada electrónico. Varios experimentos, Kamiokande entre ellos, habían medido menos neutrinos muónicos.
El resultado no se creía ampliamente. Una proporción puede fallar por muchas razones poco interesantes: el modelo de cascadas atmosféricas puede estar desviado, el detector puede confundir tipos de partícula, las secciones eficaces pueden ser imprecisas. Un déficit en una proporción es sugerente y nada más.
Hacía falta una variable que ningún error sistemático plausible pudiera imitar. Esa variable era la distancia. Los neutrinos producidos en la atmósfera justo encima han recorrido unos quince kilómetros al llegar al detector. Los producidos al otro lado del planeta, unos trece mil.
Super-Kamiokande podía reconstruir la dirección de cada suceso, porque un muón deja una traza Cherenkov larga y recta cuya orientación se puede medir. Eso convirtió la pregunta de cuántos en cuántos en función de cuán lejos.
Takayama, junio de 1998
La respuesta fue limpia. Los neutrinos muónicos cenitales aparecían en las cantidades esperadas. Los que habían cruzado la Tierra aparecían a aproximadamente la mitad de esa tasa. El déficit variaba con la longitud del camino exactamente como predice la oscilación.
Ninguna sistemática del detector explica una dependencia de la dirección de llegada con esa forma, porque el detector no sabe de dónde vino un neutrino hasta terminar la reconstrucción. La Tierra tampoco los absorbe: a estas energías es casi transparente.
Kajita lo presentó en el congreso Neutrino '98 de Takayama en junio de 1998, y se aceptó con rapidez, algo inusual para un resultado que contradice el Modelo Estándar. Se aceptó porque la variable que portaba la señal era la única que no podía falsearse.
La mecánica cuántica solo permite la oscilación si los estados de masa difieren en masa, lo que exige que al menos dos sean distintos de cero. El Modelo Estándar tal como se escribió no tenía mecanismo alguno para dar masa a los neutrinos, así que el resultado fue la primera prueba de laboratorio de física más allá de él.
La otra mitad de la respuesta
El resultado de Kajita mostraba que los neutrinos muónicos desaparecían. No mostraba en qué se convertían, porque Super-Kamiokande no podía detectar con eficacia neutrinos tauónicos a esas energías.
La medida complementaria vino del Observatorio de Neutrinos de Sudbury, que usó agua pesada para contar tanto los neutrinos electrónicos como el total de los tres tipos procedentes del Sol. El total coincidía con el modelo solar mientras la componente electrónica era un tercio: los neutrinos que faltaban habían cambiado de tipo, no desaparecido.
Dos experimentos, fuentes distintas, tecnologías distintas, sistemáticas distintas, una conclusión. Esa convergencia explica por qué el resultado se sostuvo y por qué el Nobel de 2015 se repartió entre Kajita y Arthur McDonald.
Resolvió además un problema de treinta años que ninguno de los dos experimentos se había propuesto resolver: Raymond Davis había estado midiendo correctamente el flujo de neutrinos solares todo el tiempo.
Desde entonces
Kajita es catedrático en la Universidad de Tokio y dirige su Institute for Cosmic Ray Research, que opera las instalaciones de Kamioka. También ha dirigido trabajos en KAGRA, un detector de ondas gravitacionales construido en el mismo complejo minero.
Super-Kamiokande sigue en funcionamiento, y su sucesor Hyper-Kamiokande está en construcción con unas cinco veces más masa, orientado a medir si neutrinos y antineutrinos oscilan de forma distinta.
La medida de 1998 sigue siendo una de las poquísimas grietas confirmadas en el Modelo Estándar. Todo lo que hay en la página sobre la masa del neutrino, y todo el programa de larga distancia al que pertenecen DUNE y JUNO, se deriva de ella.
Preguntas frecuentes
¿Qué midió Kajita en 1998?
Que los neutrinos muónicos procedentes del otro lado de la Tierra eran aproximadamente la mitad de numerosos que los cenitales. Como la única diferencia era la distancia recorrida, debían haber cambiado de tipo en vuelo.
¿Por qué fue la dirección la variable decisiva?
Porque ninguna sistemática del detector puede imitar una dependencia de la dirección de llegada. El detector no sabe de dónde vino un neutrino hasta la reconstrucción, y la Tierra no absorbe neutrinos a estas energías.
¿Por qué la oscilación implica masa?
Porque los distintos estados de masa deben acumular fase cuántica a ritmos diferentes para que la mezcla cambie de identidad en vuelo. Eso exige masas distintas y, por tanto, que al menos dos sean distintas de cero.
¿Cómo se relaciona con el resultado de Sudbury?
Kajita mostró neutrinos muónicos desapareciendo; Sudbury mostró neutrinos solares llegando como otros tipos en lugar de desaparecer. Dos fuentes, dos tecnologías, dos sistemáticas, una conclusión. Compartieron el Nobel de 2015.
¿En qué trabaja ahora?
Es catedrático en la Universidad de Tokio y dirige su Institute for Cosmic Ray Research. También ha dirigido trabajos en KAGRA, un detector de ondas gravitacionales en el mismo complejo minero.
