03/Sep/08

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Los físicos descubren una nueva partícula: el "bottomonium" de menor energía

Hace treinta años, la física de partículas se complacía al descubrir la familia del "bottomonium", el conjunto de partículas que contienen tanto un quark como un anti-quark pero vinculados con energías diferentes. Desde entonces, los investigadores han buscado averiguar el menor estado de energía de estas partículas diminutas aunque importantes

Ahora, por primera vez, los colaboradores en el experimento BaBar en el Departamento de Energía (Doe) del centro del acelerador lineal Stanford (SLAC), EE.UU., han detectado y medido la partícula de menor energía de la familia del "bottomonium", llamada η_b (se pronuncia eta sub b).

"Enfrentada con el final de su programa, la colaboración BaBar decidió enfocar el tiempo restante en investigar algunos de los estados de los bottomonium", dijo Dennis Kovar, director adjunto de la Oficina de Ciencia para la Física de Alta Energía del DOE. "Este excitante resultado logra uno de los principales objetivos de este final de recolección de datos".

El director Persis Drell, de SLAC añadió: "Es un tremendo logro tanto el acelerador PEP-II como para la colaboración BaBar. Felicitaciones a todos los involucrados".

Cada sistema de materia contiene un "estado base", el nivel más bajo de energía al que el sistema siempre tiende, liberando energía hasta lograrlo. El estado base provee de un punto de partida desde donde medir los demás estados más cargados de energía de la partícula, y es clave para comprender las leyes fundamentales que gobiernan cómo los quarks interactúan y funcionan.

Cuando un quark y un anti-quark son atraídos por la gran fuerza, forman un quark "átomo", casi como un electrón y un protón se unen bajo una fuerza electromagnética para crear un átomo de hidrógeno. Este quark "átomo", el η_b, puede ser excitado a varios estados de energía más altos, desde el primer estado excitado, llamado "Upsilon (1S)", hasta los estados aun más altos "Upsilon (2S)", "Upsilon (3S)", y demás.

Para determinar el estado base, la colaboración BaBar reunió los datos donde la colisión de un electrón y un positrón creaba un par enlazado de un quark y un anti-quark en estado Upsilon(3S), que en su momento se degradó al emitir un rayo gamma y dejando detrás el estado base de η_b, que entonces degradaron en aun más partículas. Como esta secuencia de eventos ocurría sólo una de cada dos o tres mil degradaciones de Upsilon(3S) en el detector BaBar, la colaboración necesitó reunir más de 100 millones de colisiones donde se creaba el estado Upsilon(3S) para asegurar una medición precisa del η_b.

"Esta importantísima observación fue posible por la tremenda luminosidad del acelerador PEP-II y la gran precisión del detector BaBar, que fue muy bien calibrado a lo largo de más de 8 años de experimento de BaBar en operación", dijo Hassan Jawahery, profesor de física en la Universidad de Maryland y portavoz de BaBar. "Estos resultados fueron muy buscados durante más de 30 años y tendrán un impacto importante sobre nuestro conocimiento de las poderosas interacciones".

Para hacer las observaciones aun más difíciles, los científicos tuvieron que lidiar con un muy alto nivel de ruido de fondo. Algo de eso es atribuible a otros procesos de degradación que involucra el estado Upsilon(1S), que tiene una energía similar y tiene que ser aislado de la señal para detectar el η_b.

El movimiento del quark y del anti-quark dentro del η_b es ligeramente diferente del de Upsilon(1S) —debido al papel del giro en las interacciones entre quarks— y eso introduce una muy ligera diferencia en la energía entre las partículas. Esta leve ruptura —conocida como "ruptura hiperfina"— entre Upsilon(1S) y el η_b ya había sido vista en otros sistemas, incluyendo el sistema charm de quarks, pero es la primera vez que ha sido observada en el sistema de bottomonium. La ruptura hiperfina es tan pequeña que los científicos tuvieron que llegar a extremos extraordinarios para finalmente descubrir el η_b.

"Porque el bottomonium es más pesado que el quark charm, teóricamente ofrece una mejor posibilidad para que los físicos teóricos comprendan los fenómenos", dijo Soeren Prell, coordinador del análisis físico de BaBar, profesor de física en la Iowa State University. Paradójicamente, las mediciones de los quarks más pesados (el bottomonium es el segundo más pesado, detrás del quark máximo), aunque son más difíciles de observar, dan algunas de las más precisas mediciones de las propiedades fundamentales de la poderosa fuerza.

La colaboración BaBar espera dar a conocer nuevos resultados de su trabajo de recolección de datos en los siguientes meses.

Fuente: SLAC. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard