Los científicos que trabajan con ALICE, un detector de iones pesados del Gran Colisionador de Hadrones, han hecho mediciones precisas de la masa de las partículas y la carga eléctrica. Estas confirman la existencia de una simetría fundamental en la naturaleza. Los investigadores confirmaron así una simetría fundamental entre los núcleos de las partículas y sus antipartículas en términos de carga, paridad y tiempo

Los resultados, publicados en un artículo publicado en línea en la revista Nature Physics, llevaron a los investigadores a confirmar una simetría fundamental entre los núcleos de las partículas y sus antipartículas en términos de carga, paridad y tiempo (CPT).

Estas mediciones de partículas producidas en las colisiones de alta energía de iones pesados en el LHC fueron posibles por las capacidades de seguimiento e identificación de alta precisión del experimento ALICE, como parte de una investigación diseñada para detectar diferencias sutiles entre las maneras en que los protones y los neutrones se unen en el núcleo, mientras que sus antipartículas forman antinucleos.

«Después del Big Bang, para cada partícula de materia que fue creada, también se creó su antipartícula. En la física de partículas, una pregunta muy importante es si todas las leyes de la física exhiben un tipo específico de simetría conocida como CPT, y estas mediciones sugieren que efectivamente existe una simetría fundamental entre núcleos y antinúcleos», dice Marcelo Gameiro Munhoz, profesor en el Instituto de Física de la USP (SI) y miembro del equipo brasileño que trabaja en ALICE.

Munhoz es el investigador principal en este proyecto de investigación «Física nuclear de alta energía en el RHIC y LHC», con el apoyo de la Fundación de Investigación de São Paulo (FAPESP). El proyecto —una colaboración entre el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en los Estados Unidos y ALICE en el LHC, operado por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en Suiza— consiste en actividades experimentales relacionadas con el estudio de las colisiones relativistas de iones pesados.

Entre otros objetivos, los investigadores brasileños que participan en ALICE buscan entender la producción de quarks pesados (encanto y quark abajo) en base a la medición de los electrones utilizando un calorímetro electromagnético y, más recientemente Sampa, un microchip desarrollado en Brasil para estudiar los fenómenos más raros que surgen de las colisiones de iones pesados en el LHC.

El experimento

Según Munhoz, las mediciones de la masa y la carga realizadas en el experimento de simetría, junto con otros estudios, ayudará a los físicos a determinar cuál de las muchas teorías sobre las leyes fundamentales del universo es más plausible.

«Estas leyes describen la naturaleza de todas las interacciones de la materia», dijo, «por lo que es importante saber que las interacciones físicas no se cambian por la inversión de carga de partículas, la transformación de paridad, reflexiones de coordenadas espaciales y la inversión de tiempo. La pregunta clave es si las leyes de la física siguen siendo las mismos en esas condiciones».

En particular, los investigadores midieron las diferencias de relación masa sobre carga para los deuterones, que consisten en un protón y un neutrón, y antideuterones, así como para los núcleos de helio-3, que comprenden dos protones y un neutrón, y antihelio-3. Las mediciones recientes en el CERN compararon en alta resolución las mismas propiedades de protones y antiprotones.

El experimento ALICE registra colisiones de alta energía de iones de plomo en el LHC, lo que permite el estudio de la materia a muy altas temperaturas y densidades.

Las colisiones de iones de plomo son una fuente abundante de partículas y antipartículas, produciendo núcleos y los antinúcleos correspondientes a tasas casi iguales. Esto le permite a ALICE hacer una comparación detallada de las propiedades de los núcleos y antinúcleos que se producen más copiosamente.

El experimento hace mediciones precisas tanto de la curvatura de los recorridos de las partículas en el campo magnético del detector y el tiempo de vuelo de las partículas, y utiliza esta información para determinar las proporciones de masa-carga de los núcleos y antinúcleos.

 

 

La alta precisión del detector de tiempo de vuelo, que determina el tiempo de llegada de partículas y antipartículas con una resolución de 80 picosegundos, y está asociado con la medición de pérdida de energía proporcionada por la cámara de tiempo de proyección, permite que los científicos implicados midan una señal clara para los deuterones/antideuterones, y helio-3/antihelio-3, las partículas estudiadas en el experimento de la similitud.

El mensaje anterior se reproduce a partir de los materiales proporcionados por la Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo.

Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Si sólo hay una partícula Higgs, sin desintegraciones inesperadas, y no hay nuevas partículas fundamentales pesadas, todo podría haber terminado

Al finales del siglo 19, nuestra comprensión fundamental de la materia fue sometida a una revolución. Mientras que antes la materia se organizaba en una tabla periódica que contenía cerca de 100 elementos diferentes, pronto se supo que lo que considerábamos que son los bloques de construcción indivisibles de la naturaleza —átomos (literalmente «indivisible» en griego)— estaban compuestos por partículas más pequeñas.

En el átomo había electrones con carga negativa. Poco después se descubrió el núcleo de carga positiva, seguido por el descubrimiento individual de los protones y neutrones, que a su vez resultaron ser divisibles en escalas aún más pequeñas: los quarks y los gluones.

En estos días, llegamos a la revelación de que toda la materia que conocemos está formada por una gran cantidad de partículas verdaderamente indivisibles:

• seis quarks y seis antiquarks, que vienen en tres «colores» cada uno,
• tres leptones con carga y tres leptones neutros (neutrinos), junto con sus correspondientes antipartículas,
• ocho gluones, que son responsables de la fuerza nuclear fuerte,
• el fotón, responsable de la fuerza electromagnética,
• los bosones W y Z, responsables de la fuerza nuclear débil,
• y el bosón de Higgs, una partícula masiva, solitaria, que surge como consecuencia del campo responsable de la masa en reposo de todas las partículas fundamentales.

Este es el modelo estándar de las partículas y las interacciones, y con sólo unas pocas excepciones notables describe todo lo conocido en el Universo. (Las excepciones son la fuerza de la gravedad, la existencia y propiedades de la materia oscura y la energía oscura; y el origen de la asimetría materia-antimateria en el Universo, entre otros más esotéricos.) El modelo estándar funciona bastante a la perfección, lo cual es decir que en todos los experimentos que hemos realizado, y con cada resultado que hemos observado, las predicciones de estas partículas y fuerzas, y sus interacciones, secciones transversales, amplitudes y las tasas de desintegración concuerdan exactamente.

Esto, en sí mismo, es un problema.

Vea usted: hay algunos problemas reales inexplicables en física fundamental sobre los que los físicos esperan que el Gran Colisionador de Hadrones podría arrojar algo de luz. Algunos de éstos fueron aludidos anteriormente, incluyendo:

• ¿De qué está hecha la materia oscura, y cuál es la partícula responsable?
• ¿Por qué vemos una violación CP en las interacciones débiles, pero no en las interacciones fuertes?
• ¿Cuál es la naturaleza de la asimetría materia-antimateria, y cuáles son los procesos de violación de la cantidad de bariones responsables de la misma?
• ¿Y por qué las masas de estas partículas fundamentales (entre 1 MeV y 180 GeV) son mucho menores que la escala de Planck, que se encuentra en un increíble 10¹⁹ GeV?

Si todo lo que tenemos es el modelo estándar, entonces ninguna de estas preguntas tienen respuestas que podamos conocer.

Pero hay un montón de extensiones teóricas al modelo estándar que nos dan esperanzas. En todos los escenarios físicamente interesantes que hemos ideado, las soluciones a estos problemas tienen todos dos cosas en común:

1. Indican que, cuando creamos las inestables partículas del modelo estándar en suficiente gran abundancia, las veremos desintegrarse en formas que difieren —repetidamente y con inmensa significación estadística— a partir de las predicciones del modelo estándar solamente.

2. Todas estas cosas predicen, a energías suficientemente altas, que existirán nuevas partículas fundamentales (indivisibles) que no se encuentran en el Modelo Estándar.

Las opciones en las que la física puede pasar más allá del Modelo Estándar incluyen la supersimetría, tecnicolor, dimensiones extra y más. Sin embargo, estas opciones sólo son interesantes —desde la perspectiva de un experimentador, en lugar de un teórico— si dejan una señal que pueda ser detectada por los experimentos que se pueden realizar.

En el LHC, eso significa que las desviaciones de las tasas de desintegración que predice el Modelo Estándar deben estar al alcance de los experimentos en cuestión. Si el Modelo Estándar predice que, por ejemplo, una partícula debe desintegrase en un leptón tau con una relación de ramificación de 1,1 x 10^-6 y un leptón muón con una relación de ramificación de 1,8 x 10^-5, eso significa que se deben crear al menos decenas de millones de esa partícula y observar sus desintegraciones con precisión para hacer esa medición.

Porque si uno «sólo» se crean diez millones de esas partículas y observa que 180 de ellas se desintegran en muones y 14 de ellas se desintegran en Taus, no se puede concluir que se ha encontrado la física más allá del Modelo Estándar; no se tienen estadísticas suficientes.

Esto es increíblemente difícil si tenemos en cuenta que sólo hemos tomado mediciones detalladas en el orden de miles de eventos en los que hemos creado las partículas fundamentales más pesadas: el bosón de Higgs y el quark top. Si pudiéramos construir una «fábrica» de creación de estas partículas, podríamos medir sus desintegraciones a (prácticamente) las precisiones arbitrarias que nos satisfagan, que es lo que se busca con un colisionador de electrones-positrones de gran energía que se ha propuesto: el ILC (International Linear Collider) .

Pero sólo es probable que esto ocurra si el LHC encuentra la primera evidencia sólida de que existen, o de la existencia de nuevas partículas o bien de estas desintegraciones fuera del modelo estándar. Y las teorías que resuelvan los problemas antes mencionados predicen ambas cosas.

El problema es que la evidencia que tenemos de una física más allá del modelo estándar es increíblemente débil: es del nivel de significación estadística que es intrascendente en este campo. La única razón por la que la gente se entusiasma con estos resultados preliminares es que, literalmente, no hay nada para emocionarse. Si una sola partícula de Higgs es encontrada en el LHC, entonces o bien la supersimetría no es real, o se encuentra a escalas de energía que son irrelevantes para resolver los enigmas para los que fue diseñado. Por otra parte, si no existen nuevas partículas a encontrar por debajo de una energía de 3,2 TeV —partículas que el LHC debería detectar, si están presentes— es una suposición razonable de que puede que no haya nada nuevo que encontrar hasta escalas de energía de 100 millones de TeV, o más.

E incluso si construimos un acelerador de partículas con el máximo la capacidad de nuestra tecnología alrededor del ecuador de la Tierra, todavía no podríamos llegar a esas energías.

No un exceso predecir que van a existir una serie de artículos, presentaciones y charlas en los próximos años sobre el tema de «¿Hemos encontrado los primeros signos de una física de partículas más allá del Modelo Estándar?»

 

 

Y si la respuesta es «no, definitivamente,» esto es lo que hay: el Modelo Estándar podría ser lo que todos nuestros colisionadores de partículas puedan acceder en nuestras vidas. No los nuevos descubrimientos exitantes que van a lograr titulares o ganar premios Nobel, pero a veces esto es lo que la naturaleza nos da. Es mejor aceptar la decepcionante verdad que creer en una mentira sensacionalista.

Fuente: Medium. Aportado por Eduardo J. Carletti

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