En un colisionador de partículas del CERN, un evento raramente visto nos está acercando tentadoramente al borde de una nueva física. Tras años de dirigir lo que se conoce como el experimento NA62, la física de partículas Cristina Lazzeroni de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido y sus colegas han establecido, observado experimentalmente y medido la desintegración de una partícula cargada de kaón en un pión cargado y un par neutrino-antineutrino. Los investigadores han presentado sus hallazgos en un seminario del CERN.
Es algo emocionante. La razón por la que el equipo ha estado investigando este tipo muy específico de canal de desintegración tan incansablemente durante más de una década es porque es lo que se conoce como un canal “dorado”, lo que significa que no solo es increíblemente raro, sino que también está bien predicho por las matemáticas complejas que conforman el Modelo Estándar de la física.
Esa rareza y precisión lo convierten en un indicador muy sensible para detectar nueva física. Sin embargo, fue sólo mediante la recopilación de una increíble cantidad de datos que abarcaban innumerables colisiones de partículas que el equipo pudo confirmar que su descubrimiento era preciso según el famoso estándar de certeza estadística de “cinco sigma”.
“Este difícil análisis es el resultado de un excelente trabajo en equipo, y estoy muy orgulloso de este nuevo resultado”, dice Lazzeroni.
Los kaones consisten en una combinación de un quark y una antipartícula de quark diferente unida por la fuerza fuerte, que se desintegra rápidamente de una manera bastante única que los físicos describen como “extraña”. Esta característica extraña los ha convertido en una herramienta útil para determinar las reglas de cómo deberían comportarse las partículas en general.
La producción de kaones no es particularmente difícil, si se cuenta con el equipo adecuado. Utilizando el Super Sincrotrón de Protones del CERN, los investigadores disparan un haz de protones de alta energía a un objetivo estacionario de berilio. Esto produce un haz secundario de aproximadamente mil millones de partículas por segundo, de las cuales aproximadamente el 6% son un tipo de kaón que está cargado.
Los kaones no tienen una vida útil larga. Se forman y se desintegran en una cienmillonésima de segundo. Por lo tanto, en ese haz secundario, la desintegración de un kaón se produce constantemente, generalmente convirtiéndose en un primo superpesado del electrón llamado muón y un neutrino. Sin embargo, en alrededor de 13 de cada 100 mil millones de desintegraciones de kaones, el resultado es un antineutrino, un neutrino y una partícula inestable formada por otro tipo de quark y un antiquark llamado pión.
“Los kaones y los piones son partículas que contienen quarks. El hecho de que los quarks sean de diferentes tipos (arriba, abajo, extraño, encanto, belleza, cima) se llama sabor”, dijo Lazzerino a ScienceAlert.
“La rareza de esta desintegración tiene que ver con el hecho de que, en ella, hay un cambio en el sabor del quark que está mediado por el bosón Z y produce un pión y neutrinos. Esto solo puede suceder con un proceso bastante elaborado, de ahí su rareza”.
El volumen de desintegraciones de kaones necesario para observar este proceso es astronómico, pero ese no es el final de los desafíos involucrados. Los neutrinos son notoriamente difíciles de detectar de por sí, y se aniquilarán con su pareja antineutrino casi instantáneamente; para el experimento NA62, los investigadores no están haciendo ningún intento de detectar el par neutrino-antineutrino.
Es solo el pión cargado, o ‘pi+’, lo que es la aguja, en medio del pajar masivo de otras desintegraciones de kaones (K+) cargados.
“Todas las demás desintegraciones de K+ que queremos descartar se denominan de fondo, y tienen partículas detectables. El desafío es detectarlas todas y siempre, de modo que cuando veamos K+ a pi+ y nada más, estemos seguros de que no hemos perdido nada y que es realmente la señal”, explicó Lazzerino.
Por eso, cuando el equipo anunció su primer conjunto de resultados en 2019, no estaban del todo seguros de haber realizado su detección con un nivel de certeza estadística de cinco sigma. Ahora han alcanzado ese umbral.
Ahora que se ha establecido el canal de desintegración, los investigadores pueden pasar a buscar cualquier desviación que pueda indicar una nueva física. El número de desintegraciones de kaones a piones y de neutrinos/antineutrinos que observó el equipo es superior a los 8,4 por 100 mil millones previstos por el Modelo Estándar, pero sigue estando dentro de los parámetros de incertidumbre.
Para encontrar una nueva física, será necesario observar una desviación mayor en el número de desintegraciones.
“El Modelo Estándar ha sido muy bueno para predecir las observaciones hasta ahora, pero sabemos que debe tener deficiencias. Por ejemplo, no incluye un modelo para la materia oscura y el desequilibrio materia-antimateria es órdenes de magnitud demasiado pequeño con respecto a lo que se necesita para representar el Universo. En general, esperamos que aparezca nueva física. De qué se trata exactamente, no se sabe. Pero en general, esperamos que aparezcan nuevas partículas (y fuerzas)”, dijo Lazzeroni.
“NA62 ya ha acumulado más datos y continuará durante tres años más. Con la totalidad de los datos, podremos establecer con cierta precisión si es consistente con el Modelo Estándar”.
¡Qué maravillosamente emocionante!
El equipo ha presentado sus resultados en un seminario del CERN.
Fuente: Science Alert.
