Físicos podrían haber descubierto una “nueva fuerza de la naturaleza” en experimento del LHC

Física

Por: Harry Cliff

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) provocó entusiasmo en todo el mundo en marzo cuando los físicos de partículas informaron pruebas tentadoras de nueva física, potencialmente una nueva fuerza de la naturaleza. Ahora, nuestro nuevo resultado, que aún no ha sido revisado por pares, del colisionador de partículas gigantesco del CERN parece estar agregando más apoyo a la idea. Nuestra mejor teoría actual de partículas y fuerzas se conoce como el modelo estándar, que describe todo lo que sabemos sobre las cosas físicas que componen el mundo que nos rodea con una precisión infalible.

El modelo estándar es sin duda la teoría científica más exitosa jamás escrita y, sin embargo, al mismo tiempo sabemos que debe estar incompleta. Es famoso que describe solo tres de las cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza electromagnética y las fuerzas fuerte y débil, dejando de lado la gravedad. No tiene explicación para la materia oscura que la astronomía nos dice que domina el Universo y no puede explicar cómo sobrevivió la materia durante el Big Bang.

Por lo tanto, la mayoría de los físicos confían en que debe haber más ingredientes cósmicos por descubrir, y estudiar una variedad de partículas fundamentales conocidas como quarks de belleza es una forma particularmente prometedora de obtener pistas de lo que podría haber ahí fuera. Los quarks de belleza, a veces llamados quarks de fondo, son partículas fundamentales, que a su vez forman partículas más grandes. Hay seis sabores de quarks que se denominan up, down, charm, strange, top/truth y bottom/beauty. Los quarks up y down, por ejemplo, forman los protones y neutrones en el núcleo atómico.

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Experimento LHCb. (CERN)

Los quarks beauty son inestables, viven en promedio solo alrededor de 1,5 billonésimas de segundo antes de descomponerse en otras partículas. La forma en que se descomponen los quarks beauty puede verse fuertemente influenciada por la existencia de otras partículas o fuerzas fundamentales.

Cuando un quark de belleza decae, se transforma en un conjunto de partículas más ligeras, como los electrones, a través de la influencia de la fuerza débil. Una de las formas en que una nueva fuerza de la naturaleza podría darse a conocer a nosotros es cambiando sutilmente la frecuencia con la que los quarks de belleza se descomponen en diferentes tipos de partículas.

El artículo de marzo se basó en datos del experimento LHCb, uno de los cuatro detectores de partículas gigantes que registran el resultado de las colisiones de energía ultra alta producidas por el LHC. La “b” en LHCb significa “beauty”.

Encontró que los quarks beauty se descomponían en electrones y sus primos más pesados ​​llamados muones a diferentes velocidades. Esto fue realmente sorprendente porque, según el modelo estándar, el muón es básicamente una copia de carbono del electrón, idéntico en todos los sentidos, excepto por ser unas 200 veces más pesado. Esto significa que todas las fuerzas deben tirar de electrones y muones con la misma fuerza; cuando un quark de belleza se desintegra en electrones o muones a través de la fuerza débil, debe hacerlo con la misma frecuencia.

En cambio, mis colegas descubrieron que la desintegración del muón solo ocurría en un 85% con la frecuencia con la que se desintegra el electrón. Suponiendo que el resultado sea correcto, la única forma de explicar tal efecto sería si alguna nueva fuerza de la naturaleza que atrae electrones y muones de manera diferente está interfiriendo con la descomposición de los quarks beauty.

El resultado provocó un gran entusiasmo entre los físicos de partículas. Hemos estado buscando señales de algo más allá del modelo estándar durante décadas y, a pesar de diez años de trabajo en el LHC, hasta ahora no se ha encontrado nada concluyente. Entonces, descubrir una nueva fuerza de la naturaleza sería un gran problema y finalmente podría abrir la puerta para responder algunos de los misterios más profundos que enfrenta la ciencia moderna.

Nuevos resultados
Si bien el resultado fue tentador, no fue concluyente. Todas las mediciones vienen con un cierto grado de incertidumbre o “error”. En este caso, solo había una posibilidad entre 1.000 de que el resultado se redujera a un bamboleo estadístico aleatorio, o “tres sigma”, como decimos en el lenguaje de la física de partículas. Uno de cada 1.000 puede no parecer mucho, pero hacemos una gran cantidad de mediciones en física de partículas, por lo que es de esperar que un pequeño puñado arroje valores atípicos por casualidad.

Para estar realmente seguros de que el efecto es real, tendríamos que llegar a cinco sigma, lo que corresponde a menos de una probabilidad entre un millón de que el efecto se deba a una cruel casualidad estadística. Para llegar allí, necesitamos reducir el tamaño del error y para hacer esto necesitamos más datos. Una forma de lograr esto es simplemente ejecutar el experimento durante más tiempo y registrar más desintegraciones.

El experimento LHCb se está actualizando actualmente para poder registrar colisiones a una velocidad mucho mayor en el futuro, lo que nos permitirá realizar mediciones mucho más precisas. Pero también podemos obtener información útil de los datos que ya hemos registrado buscando tipos similares de desintegraciones que sean más difíciles de detectar.

Esto es lo que hemos hecho mis colegas y yo. Estrictamente hablando, nunca estudiamos directamente las desintegraciones de los quarks de belleza, ya que todos los quarks siempre están unidos con otros quarks para formar partículas más grandes.

El estudio de marzo examinó los quarks de belleza que se emparejaron con quarks “ascendentes”. Nuestro resultado estudió dos desintegraciones: una donde los quarks beauty que se emparejaron con quarks “down” y otra donde también se emparejaron con quarks up.

Sin embargo, que el emparejamiento sea diferente no debería importar: la descomposición que está ocurriendo en el fondo es la misma y, por lo tanto, esperaríamos ver el mismo efecto, si realmente hay una nueva fuerza allí afuera. Y eso es exactamente lo que hemos visto. Esta vez, las desintegraciones de muones solo ocurrieron alrededor del 70% de la frecuencia con la que se desintegra el electrón, pero con un error mayor, lo que significa que el resultado es de aproximadamente “dos sigma” del modelo estándar (alrededor de dos en cien posibilidades de ser una estadística anomalía).

Esto significa que, si bien el resultado no es lo suficientemente preciso por sí solo para reclamar evidencia firme de una nueva fuerza, se alinea muy de cerca con el resultado anterior y agrega más apoyo a la idea de que podríamos estar al borde de un gran descubrimiento. Por supuesto, debemos tener cuidado. Aún queda camino por recorrer antes de que podamos afirmar con cierto grado de certeza que realmente estamos viendo la influencia de una quinta fuerza de la naturaleza.

Actualmente, mis colegas están trabajando duro para extraer la mayor cantidad de información posible de los datos existentes, mientras se preparan afanosamente para la primera ejecución del experimento LHCb actualizado. Mientras tanto, otros experimentos en el LHC, así como en el experimento Belle 2 en Japón, se están acercando a las mismas medidas. Es emocionante pensar que en los próximos meses o años se podría abrir una nueva ventana sobre los ingredientes más fundamentales de nuestro Universo.

Este artículo es una traducción de otro publicado en The Conversation. Puedes leer el texto original haciendo clic aquí.

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