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Dos equipos que trabajan en el acelerador de partículas Tevatrón en Batavia, Illinois, han encontrado indicios de una nueva generación de partículas fundamentales que añadir a las tres generaciones que ya conocemos.

¿Qué tienen de especial estas nuevas partículas?

Si realmente existen, podrían explicar un misterio de hace mucho tiempo: el cómo evitó el universo su autodestrucción en los primeros momentos después del Big Bang.

En primer lugar, podemos empezar con un resumen de lo que ya sabemos. Cada una de las tres generaciones conocidas de materia contiene dos tipos de partículas fundamentales, quarks y leptones. La primera generación de leptones son el conocido electrón y el neutrino.

La primera generación de materia puede explicar todo lo que encontramos en la vida cotidiana. Los núcleos atómicos están compuestos de protones y neutrones, que a su vez están compuestos únicamente de quarks “up” y “down” [superior e inferior].

La segunda y tercera generación se introdujeron para explicar las decenas de variedades de corta duración, partículas subatómicas descubiertas en los restos de los aceleradores de partículas. Cada una de estas dos generaciones contiene un par de quarks, mucho más pesados que los de la primera generación, así como muones y taus, que son versiones pesadas del electrón. Además cada una tiene su propia versión de neutrinos.

Las nuevas generaciones de la materia se han presentado cada 30 o 40 años, la última vez fue en 1975, cuando se descubrió la partícula tau. “Hemos visto tres generaciones, ¿por qué no cuatro?”, dice Amarjit Soni del Brookhaven National Laboratory en Upton, Nueva York. Una cuarta generación sería “la simple continuación de una tendencia que hemos estado viendo.”

Los indicios de esta cuarta generación ya se han convertido en datos del acelerador Tevatrón, que hace chocar protones y antiprotones.

En marzo, los investigadores del detector CDF en el Tevatron, terminaron de revisar cuidadosamente los restos de las colisiones que allí crearon, entre marzo de 2002 y marzo de 2009. Estaban buscando indicios de un quark de cuarta generación, que sería más pesado que los de las otras tres generaciones. Eso explicaría por qué no se había visto en experimentos previos, cuanto más pesada es una partícula, más energía se necesita para crearla, y las colisiones de los experimentos anteriores no tenían la energía suficiente para producir un ‘animal’ tan masivo.

Un pesado quark de cuarta generación, desencadenaría una gran cantidad de energía, ya descompuesta, produciendo muones muy energéticos, entre otras cosas. Las otras tres generaciones de materia también producen estos productos de desintegración, y los cálculos sugieren que estas tres generaciones podrían representar los dos eventos desintegrados que dan la más alta energía medida en el experimento. Pero el equipo de CDF vio ocho, un excedente que ya insinúa un quark de cuarta generación.

El exceso es lo bastante pequeño para ser una casualidad estadística, así que el equipo no está afirma haber visto signos de una cuarta generación. “Afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias, y definitivamente no es eso lo que tienen”, admite John Conway, de la Universidad de California en Davis, uno de los autores del estudio.

No hay casualidad

No hay nada que permita descartar el exceso, sin embargo. Esteban Martín de la Universidad Northern Illinois en DeKalb, que no participó en el estudio, dice: “Es interesante tener en cuenta su existencia para los análisis de futuro.”

A pesar de la importancia de debatir este exceso de CDF, las nuevas pruebas del otro detector principal del Tevatron, DZero, muestra otra posible pista de una cuarta generación que es más difícil de descartar.

El nuevo análisis de las colisiones protón-antiprotón en DZero encuentra que la desintegración de productos de fueron inesperadamente desvirtuados, se crearon un poco más de muones que de antimuones, sus homólogos de antimateria (arxiv.org/abs/1005.2757).

“Si esto se confirma, es un descubrimiento muy importante”, señaló Soni. “Tiene una gran repercusión para toda la física de partículas.”

Estos resultados está en contradicción con el modelo estándar de física de partículas, la mejor teoría que tenemos hasta ahora para describir el mundo subatómico. Dicho modelo predice una diferencia mucho menor entre la cantidad de materia y partículas de antimateria producidas en las colisiones, sobre 1/40 de lo que realmente detectó DZero. Una nueva y desconocida influencia parece estar en el trabajo.

Algunos físicos han señalado anteriormente que una cuarta generación de partículas podría sesgar el balance de materia-antimateria en la serie de procesos observados en DZero.

¿Cómo puede suceder esto? Las extrañas reglas de la mecánica cuántica permite a las partículas virtuales surgir brevemente a la existencia, y si los quarks de cuarta generación surgieran de esta manera en DZero, podrían interferir en la secuencia normal de los acontecimientos por los que las partículas se desintegran en el experimento. Por ejemplo, las parejas de quarks que incluyen la tercera generación “de base”, normalmente pasan por una serie de reacciones que producen muones y anti-muones. Un quark de cuarta generación podría interferir en este proceso, alterando el equilibrio normal entre la materia y antimateria, produciendo una alteración de los resultados a favor de la materia.

Si la anomalía en DZero es el resultado de partículas de cuarta generación, las consecuencias serían profundas. Durante décadas, los físicos estaban desconcertados ante la cuestión de existencia del universo que conocemos.

Según el modelo estándar, la materia y la antimateria deberían haberse condensado en cantidades casi iguales de energía disponible en el universo primitivo. Y dado que la materia y la antimateria se aniquilan entre sí al entrar en contacto, la gran mayoría de ambas ‘especies’ habrían sido rápidamente destruidas, dejando un mar yermo de radiación, casi totalmente desprovisto de materia necesaria para crear estrellas, galaxias y planetas. Es evidente que eso no sucedió, así que algo tuvo que haber aumentado el ritmo de producción de la materia, dejando que este exceso sobreviviera a la orgía de aniquilamiento y dar lugar al universo.

Si los quarks de cuarta generación son los responsables de alterar este equilibrio, entonces no existiríamos sin ellos. “Para mí, esta es la motivación más importante para la posibilidad de existencia de la cuarta generación”, comenta George Hou, de la Universidad Nacional de Taiwan en Taipei. Debido a una mera extensión de tres a cuatro generaciones, añade, es posible que tengamos la asimetría suficiente para explicar cómo la materia del universo primitivo sobrevivió a la aniquilación.

Pese a que esta asimetría de DZero encaja con la existencia de una cuarta generación, pero no lo prueba. También es posible generar la asimetría materia-antimateria en las teorías que intentan explicar la física de partículas, mediante la introducción de ocultas dimensiones adicionales, como la supersimetría, una teoría en la que cada partícula de las tres generaciones conocidas de la materia, así como aquellas que transportan la energía, tiene un socio más pesado.

Las partículas de cuarta generación también podría ayudar a explicar el origen de la materia oscura que parece formar de la mayor parte de la masa del universo. La clave de esta idea es un neutrino pesado. Igual que los neutrinos de todas las anteriores generaciones de partículas, éste no interacciona con la fuerza electromagnética, por lo que se hace transparente a la luz, y por lo tanto, invisible.

Mientras que los otros tres conocidos neutrinos son demasiado ligeros para representar una fracción significativa de materia oscura, la cuarta generación de pesados neutrinos podrían ser capaces de agruparse y formar las semillas de las galaxias.

La idea es emocionante, pero no es impermeable. Por un lado, un neutrino pesado normalmente se descompondría en una fracción de segundo en la versión más ligera de otra generación, por lo que los neutrinos no pesados del universo primitivo debieron haber sobrevivido para formar la materia oscura que pensamos que existe actualmente. Los físicos se las tendrán que arreglar para explicar cómo los neutrinos pesados lograron mantenerse estables durante miles de millones de años desde el Big Bang.

Por fortuna, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN debería ser capaz de aclarar las cosas. Al chocar partículas ahora, con una energía combinada de 7 teraelectronvoltios (TeV), empequeñecen las colisiones de 2 TeV del Tevatron. Teniendo en cuenta la potencia extra, no debería llevarle mucho tiempo al LHC detectar un quark de cuarta generación, con una masa de alrededor de 450 GeV. “El LHC será capaz de probar definitivamente esto”, señala Martin.

Sería un importante hito en el camino, el detectar partículas más pesadas que el conocido quark de tercera generación llamado top (superior), con una masa de 170 GeV. El LHC ya está en la pista para descubrir un top dentro de unos meses, señala Conway, así que no debería llevar mucho más tiempo el poder ver si el exceso de CDF es algo más que un golpe de suerte.

Un descubrimiento positivo en este sentido sería un triunfo para la teoría de cuarta generación, señala Hou. “Realmente podría ser una revolución a nivel científico mundial”.

Fuente: Bit Navegantes. Aportado por Eduardo J. Carletti

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