Físicos descubren una partícula nunca antes vista en el mesón de una cocina

Física

Los investigadores han descubierto una nueva partícula que es un pariente magnético del bosón de Higgs. Mientras que el descubrimiento del bosón de Higgs requirió el tremendo poder de aceleración de partículas del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), esta partícula nunca antes vista, denominada bosón axial de Higgs, se encontró mediante un experimento que cabría en una pequeña encimera de cocina. Además de ser el primero por derecho propio, este primo magnético del bosón de Higgs  —  la partícula responsable de otorgar a otras partículas su masa  —  podría ser un candidato para la materia oscura, que representa el 85% de la masa total del universo, sino que sólo se revela a sí mismo a través de la gravedad.

“Cuando mi estudiante me mostró los datos, pensé que debía estar equivocada”, dijo a Live Science Kenneth Burch, profesor de física en el Boston College e investigador principal del equipo que hizo el descubrimiento. “No todos los días encuentras una nueva partícula sobre tu mesa”.

El bosón de Higgs axial difiere del bosón de Higgs, que fue detectado por primera vez por los detectores ATLAS y CMS en el LHC hace una década en 2012 , porque tiene un momento magnético, una fuerza u orientación magnética que crea un campo magnético. Como tal, requiere una teoría más compleja para describirlo que su primo que otorga masa no magnética.

En el modelo estándar de física de partículas, las partículas emergen de diferentes campos que impregnan el universo, y algunas de estas partículas dan forma a las fuerzas fundamentales del universo. Por ejemplo, los fotones median el electromagnetismo, y las partículas pesadas conocidas como bosones W y Z median la fuerza nuclear débil, que gobierna la descomposición nuclear a niveles subatómicos. Sin embargo, cuando el universo era joven y caliente, el electromagnetismo y la fuerza débil eran una cosa y todas estas partículas eran casi idénticas. A medida que el universo se enfrió, la fuerza electrodébil se dividió, lo que provocó que los bosones W y Z ganaran masa y se comportaran de manera muy diferente a los fotones, un proceso que los físicos han llamado “ruptura de simetría”. Pero, ¿cómo exactamente estas partículas mediadoras de fuerzas débiles se volvieron tan pesadas?

Resulta que estas partículas interactuaron con un campo separado, conocido como campo de Higgs. Las perturbaciones en ese campo dieron lugar al bosón de Higgs y dieron su peso a los bosones W y Z.

El bosón de Higgs se produce en la naturaleza cada vez que se rompe tal simetría. “Sin embargo, por lo general, solo se rompe una simetría a la vez y, por lo tanto, el Higgs solo se describe por su energía”, dijo Burch.

La teoría detrás del bosón de Higgs axial es más complicada.

“En el caso del bosón axial de Higgs, parece que múltiples simetrías se rompen juntas, lo que lleva a una nueva forma de la teoría y un modo de Higgs [las oscilaciones específicas de un campo cuántico como el campo de Higgs] que requiere múltiples parámetros para describirlo: específicamente, energía y momento magnético”, dijo Burch.

Burch, quien junto con sus colegas describió el nuevo primo magnético de Higgs en un estudio publicado el miércoles 8 de junio en la revista Nature, explicó que el bosón de Higgs original no se acopla directamente con la luz, lo que significa que debe crearse al romper otras partículas junto con imanes enormes y láseres de alta potencia al tiempo que enfría las muestras a temperaturas extremadamente frías. Es la descomposición de esas partículas originales en otras que aparecen fugazmente lo que revela la presencia del Higgs.

El bosón axial de Higgs, por otro lado, surgió cuando los materiales cuánticos a temperatura ambiente imitaron un conjunto específico de oscilaciones, llamado modo axial de Higgs. Luego, los investigadores utilizaron la dispersión de la luz para observar la partícula.

“Encontramos el bosón axial de Higgs usando un experimento de óptica de mesa que se sienta en una mesa que mide aproximadamente 1 x 1 metros al enfocarnos en un material con una combinación única de propiedades”, continuó Burch. “Específicamente, usamos tritellurida de tierras raras (RTe3) [un material cuántico con una estructura cristalina altamente en 2D]. Los electrones en RTe3 se autoorganizan en una onda donde la densidad de la carga aumenta o se reduce periódicamente”.

El tamaño de estas ondas de densidad de carga, que emergen por encima de la temperatura ambiente, puede modularse con el tiempo, produciendo el modo de Higgs axial. En el nuevo estudio, el equipo creó el modo Higgs axial enviando luz láser de un color al cristal RTe3. La luz se dispersó y cambió a un color de menor frecuencia en un proceso conocido como dispersión Raman, y la energía perdida durante el cambio de color creó el modo Higgs axial. Luego, el equipo hizo girar el cristal y descubrió que el modo axial de Higgs también controla el momento angular de los electrones, o “la velocidad a la que se mueven en un círculo”, lo que significa que este modo también debe ser magnético.

“Originalmente, simplemente estábamos investigando las propiedades de dispersión de luz de este material. Al examinar cuidadosamente la simetría de la respuesta  —  cómo difería a medida que rotamos la muestra  — , descubrimos cambios anómalos que fueron los indicios iniciales de algo nuevo”, explicó Burch. “Como tal, es el primer Higgs magnético de este tipo que se descubre e indica que el comportamiento colectivo de los electrones en RTe3 es diferente a cualquier estado visto anteriormente en la naturaleza”.

Los físicos de partículas habían predicho previamente un modo de Higgs axial e incluso lo usaron para explicar la materia oscura, pero esta es la primera vez que se observa. Esta es también la primera vez que los científicos observan un estado con múltiples simetrías rotas.

La ruptura de simetría ocurre cuando un sistema simétrico que parece ser el mismo en todas las direcciones se vuelve asimétrico. La Universidad de Oregón sugiere pensar en esto como si fuera una moneda que gira y tiene dos estados posibles. La moneda finalmente cae sobre su cara o sello, liberando así energía y volviéndose asimétrica. El hecho de que esta doble ruptura de la simetría todavía concuerde con las teorías físicas actuales es emocionante, porque podría ser una forma de crear partículas nunca antes vistas que podrían explicar la materia oscura.

“La idea básica es que para explicar la materia oscura se necesita una teoría consistente con los experimentos de partículas existentes, pero que produce nuevas partículas que aún no se han visto”, dijo Burch.

Agregar esta ruptura adicional de simetría a través del modo axial de Higgs es una forma de lograrlo, dijo. A pesar de haber sido predicho por los físicos, la observación del bosón axial de Higgs fue una sorpresa para el equipo, y pasaron un año intentando verificar sus resultados, dijo Burch.

Fuente: Live Science.

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