Primeros indicios experimentales, de una física que va más allá del Modelo Estándar

Un equipo de físicos de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) (España) y del CNRS francés ha predicho desviaciones en la probabilidad de una de las desintegraciones del mesón B que han sido detectadas experimentalmente en el acelerador LHC del CERN. La confirmación de los resultados sería la primera prueba directa de la existencia de la ‘nueva física’, una teoría más fundamental que el vigente modelo estándar de las partículas.

El modelo estándar, el modelo teórico más completo que existe hasta ahora para explicar el universo, tiene carencias y no permite explicar fenómenos como la materia oscura o la interacción gravitatoria entre partículas. Los físicos buscan una teoría más fundamental a la que llaman ‘nueva física’, pero hasta ahora no había ninguna prueba directa de su existencia, aparte de la observación indirecta de la materia oscura, deducida, entre otros, a partir del movimiento de las galaxias.

Un equipo de físicos formado por el profesor del departamento de Física de la UAB Joaquim Matias, el investigador posdoctoral Javier Virto, de la misma universidad, y el investigador del CNRS / Université Paris-Sud Sébastien Descotes-Genon, ha predicho que esta nueva física implicaría la existencia de unas desviaciones en la probabilidad de una desintegración muy específica de una partícula, el mesón B. Detectar estas pequeñas desviaciones mediante un experimento sería la primera prueba directa de la existencia de esta teoría más fundamental.

El 19 de julio pasado, científicos del detector LHCb, uno de los grandes experimentos que se llevan a cabo en el acelerador LHC del CERN, mostraron en la conferencia internacional de física de partículas EPS 2013 de Estocolmo (Suecia), los resultados de las medidas experimentales de esta desintegración del mesón B. Las medidas muestran unas desviaciones respecto a las predicciones del modelo estándar que los investigadores de la UAB y del CNRS calcularon. El hecho relevante ha sido que estos investigadores han demostrado que todas estas desviaciones muestran un patrón coherente que les ha permitido identificar su origen en una única fuente.

Los resultados de su análisis apuntan a una desviación respecto a la predicción del modelo estándar de 4,5 sigmas. Si se confirma, sería todo un acontecimiento, ya que los científicos consideran 3 sigmas como “evidencia científica” de la nueva física y 5 sigmas como “descubrimiento”.

“Hay que ser prudentes, porque serán necesarios más estudios teóricos y más medidas experimentales para confirmarlo”, explica Joaquim Matias, “pero si se confirman estaríamos ante la primera prueba directa de la nueva física, una teoría más general que el actualmente vigente modelo estándar”. “Si el Higgs ha completado el puzle del modelo estándar, estos resultados pueden ser la primera pieza de un nuevo puzle mucho mayor”, añade el Dr. Matias.

Los investigadores apuntan que uno de los modelos de nueva física que podría explicar estos resultados sería el que postula la existencia de una nueva partícula llamada Zprima, “pero podría haber muchos otros modelos compatibles”, puntualiza Matias.

El interés del resultado ha llevado a los científicos del otro gran experimento del LHC, el detector CMS, a querer hacer esta medida. El CMS ha invitado al Dr. Matias a explicar los detalles teóricos en un seminario para tratar de corroborar el resultado. Al mismo tiempo LHCb también está añadiendo nuevos datos para mejorar la estadística y confirmar estas medidas el próximo mes de marzo de 2014.

Hace años que los físicos de partículas saben que la teoría que utilizan, a pesar de ser un modelo muy exitoso en todos los test realizados hasta ahora, tiene importantes carencias como la falta de un candidato de materia oscura. También presenta otros problemas más fundamentales como el llamado problema de las jerarquías o de la asimetría materia-antimateria del universo.

Dos de los objetivos centrales del acelerador Large Hadron Collider (LHC) son encontrar el bosón de Higgs y la nueva física, una teoría más fundamental y más general que la del modelo estándar en la que este solo sería un caso particular. Los físicos encontraron, hace un año, el bosón de Higgs, pero al parecer la partícula encaja perfectamente en el modelo estándar y de momento no da ninguna pista clara de nueva física.

En el CERN hay cuatro experimentos, cuatro grandes detectores (ATLAS, CMS, LHCb, y Alice) que registran las colisiones entre partículas para que los científicos analicen su comportamiento. El detector del LHCb está diseñado para estudiar el comportamiento de los quarks y estudiar desintegraciones llamadas raras, muy poco frecuentes.

El 19 de julio pasado, en la conferencia de Física de Altas Energías EPS 2013 de la Sociedad Europea de Física, en Estocolmo (Suecia), el Dr. Matias presentó las predicciones teóricas de su grupo sobre una de estas desintegraciones: la de un mesón B, formado por un quark b y un antiquark d, en un par de muones y en una partícula llamada K*. El grupo de investigadores de la UAB y CNRS calculó la predicción de cómo debe funcionar esta desintegración, y cómo cambiaría en diversos escenarios de Nueva Física.

Poco después, un físico experimental del detector LHCb, Nicola Serra, presentó en la misma conferencia los primeros resultados experimentales completos de esta desintegración. De manera sorprendente, las medidas experimentales eran coherentes con las desviaciones predichas por Joaquim Matias y sus colaboradores. Por primera vez, este tipo de desviaciones eran consistentes con predicciones teóricas basadas en la presencia de contribuciones más allá del modelo estándar.

(Fuente: UAB)

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La idea directora de Heisenberg al establecer su Mecánica de las Matrices, la primera, pero definitiva forma de la teoría cuántica moderna, es que hay que establecer la Mecánica Cuántica, basada enteramente en relaciones entre magnitudes observables. Esto dice, literalmente, el Abstract del trabajo original, recibido el 29-VVII-1925. En particular, conocemos del átomo sus líneas espectrales, pero todo intento de poner de relieve las órbitas que Bohr utiliza en la teoría cuántica antigua 1913-25 no tiene correspondencia experimental: el átomo se ioniza al “mirarlo”; Heisenberg por ello desarrolló un cálculo con las amplitudes que aboca enseguida al álgebra no conmutativa basada en [p, q] =h/2πi, etc. Ese “positivismo” que resuma Heisenberg. Que hunde sus raíces en A. Compte se califica a veces de instrumentalismo por algunos filófosos de la Ciencia (A. Ribadulla, por ejemplo).

El primer enfrentamiento es con Einstein. Empecemos con el diálogo Einstein-Heinsenberg en 1926, cuando Einstein rechaza la incipiente interpretación de la Mecánica Cuántica (estamos todavía a un año del Principio de Incertidumbre o Indeterminación) como elevación a categoría científica sólo de lo observable, y Heisenberg replica que él (W.H.) repite, en su rechazo de las órbitas electrónicas, el mismo argumento por el que Einstein negó la simultaneidad absoluta y abrió la escotilla para el tiempo relativo, dependiendo del estado de movimiento, al sentar la relatividad especial (1905).

Pero lo mejor es la respuesta de Einstein: “Es posible que yo sostuviera eso entonces, pero es una tontería de todos modos. Es la teoría quien determina qué es lo que debe ser observado”. Moraleja: cuando uno es joven tiene menor perjuicios y está abierto a leer directamente de la naturaleza; al madurar, se impone ver la realidad a través de las cosas preestablecidas (prejuicios adquiridos o rescatados).

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¿Quién no ha oído la palabra Bosón en los últimos tiempos? Pero, ¿Qué es un Bosón?

Bueno, un Bosón es una partícula elemental con espín entero, es decir, una partícula que obedece a la estadística de Bose-Einstein de la cual deriva su nombre, y, cuando hablamos de estadística cuántica nos estamos refiriendo a la descripción estadística de un sistema de partículas que obedece a las reglas de la mecánica cuántica en vez de las de la mecánica clásica. En estadística cuántica, los estados de energía se considera que están cuantizados.

La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier número de partículas pueden ocupar un estado cuántico dado. Dichas partículas se llaman Bosones. Los bosones tienen momento angular  nh/2π, donde n es cero o un entero y h es la constante de Planck. Para Bosones idénticos, la función de onda es siempre simétrica. Si sólo una partícula puede ocupar un estado cuántico, se aplica la estadística de Fermi-Dirac y las partículas se llaman fermiones. Los fermiones tienen momento angular  (n + ½) h/2π y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica.

La relación entre el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema  espín-estadística.

En un espacio de dos dimensiones es posible que haya partículas (o cuasi partículas) con estadística intermedia entre bosones y fermiones. Estas partículas se conocen con el nombre de aniones; para aniones idénticos la función de ondas no es simétrica (un cambio de fase de +1) o antisimétrica (un cambio de fase de -1), sino que interpola continuamente entre +1 y -1. Los aniones pueden ser importantes en el análisis del efecto Hall cuántico fraccional y han sido sugeridos como un mecanismo para la superconductividad de alta temperatura.

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¿Cuántas generaciones de partículas existen? El modelo estándar no predice el número de generaciones de fermiones (quarks y leptones). Hoy conocemos tres generaciones, pero podrían existir más. Una cuarta generación dentro del modelo estándar estaría formada por dos quarks pesados y y dos leptones pesados y . Cualquier otra opción implicaría física más allá del modelo estándar. En este caso SM4 sustituiría a SM3, como SM3 sustituyó a SM2 en los 1970. (Fuente Francis (th)E mule Science’s News).

Pero hablemos de partículas “bellas” de materia y antimateria. Así se titula un magnifico artículo de Don Alberto Ruiz Jimeno, miembro del Grupo de Altas Energías del Instituto de Física Moderna Universidad de Cantabria y Jefe del Grupo de Altas Energías. En él nos dice que:

El resultado procede del análisis de CDF de miles de millones de colisiones de protones y antiprotones producidos en el colisionador Tevatron del Fermilab. De acuerdo con la Teoría de la Relatividad de Einstein, energía es igual a masa, por lo que esas colisiones de alta energía pueden lanzar a la existencia a partículas subatómicas masivas no vistas en nuestro mundo cotidiano. Los físicos intentan entonces identificar esas partículas estudiando las combinaciones de partículas más familiares en las que decaen.

“Nuevos bariones constituidos por tres Quarks, como los protones, pero conteniendo el quarks b (“belleza”) han sido observado en el experimento CDF del Acelerador del Tevatrón de protones y antiprotones. Por otra parte (nos dice), se ha observado por primera vez la oscilación de los mesones B, entre materia y antimateria. Dado que el artículo puede tener un alto interés para ustedes, he creído positivo transcribirlo aquí para gozo del personal que, con estos nuevos conocimientos (como me pasó a mí), podrán aumentar los suyos.

La física de partículas elementales tiene por objeto el estudio de los constituyentes más elementales de la materia y de las fuerzas fundamentales que rigen su comportamiento. La dinámica de estos bloques fundamentales viene formulada por la mecánica cuántica relativista.

El denominado Modelo Estándar establece que los bloques elementales de la materia tienen un momento magnético intrínseco (spín) de valor ½, denominándose fermiones por verificar las leyes de la estadística cuántica que formularon Fermi y Dirac a comienzos del siglo XX. A su vez, las fuerzas fundamentales vienen determinadas por el intercambio de cuantos de energía, con spin 1 (salvo el hipotético gravitón que tendría spin 2), llamado bosones al verificar las leyes estadísticas cuántica establecidas por Bose y Einstein, en el mismo siglo XX.

Los Bosones de interacción son el fotón, causante de la interacción electromagnética; los bosones vectoriales W⁺, W^– y Z⁰, causantes de la interacción nuclear débil; los ocho tipos de Gluones que confinan a los Quarks en hadrones (como el protón o el neutrón) a causa de la interacción fuerte nuclear, y el gravitón u onda gravitacional que explicaría la interacción gravitatoria. La fuerza gravitacional es despreciable a escala subatómica, pero es la dominante a grandes escalas. Su portador aún no ha sido observado; de hecho, su existencia requeriría una teoría cuántica de la gravitación, que aún no ha sido formulada.

Los fermiones de materia se denominan quarks o leptones, siendo los primeros los que están sometidos a los cuatro tipos de interacciones y los segundos los que no están sometidos a la interacción nuclear fuerte; en cualquiera de los casos, la interacción electromagnética solo afecta a las partículas que poseen carga eléctrica y la interacción gravitatoria a las que poseen masa.

Los quarks son de seis tipos o sabores,  así como los leptones. Unos y otros se clasifican en familias o generaciones, siendo la más ligera la constituida por los quarks y los leptones electrón y neutrino electrónico. Los nucleones, protón y neutrón, tienen la estructura de quarks, respectivamente uud y udd. Los átomos tienen un núcleo interno constituido por nucleones y electrones orbitando en torno al mismo.

El resto de quarks y leptones constituyen materia exótica, siendo producidos en los aceleradores de partículas y en la radiación cósmica, pero formaban parte de la materia original del Universo primitivo. Los quarks pueden tener, además, tres tipos de carga fuerte o “color”.

Además existen otros doce sabores correspondientes a la antimateria, en forma de anti-quarks y anti-leptones, con las mismas masas que los quarks y leptones correspondientes, pero con sus cargas invertidas. No se ha observado antimateria en el Universo actual, pero el Universo primigenio tenía igual cantidad de materia que de antimateria. Toda la antimateria actual es producida en los choques de partículas aceleradas, como consecuencia de la transformación de energía en pares materia-antimateria.

La ecuación cuántica relativista que gobierna el comportamiento de los fermiones es la ecuación de Dirac, debida al famoso físico inglés. Las soluciones de dicha ecuación incluyen las denominadas partículas de antimateria, que poseen la misma masa que la partícula correspondiente, pero tienen todas sus “cargas” internas, como la carga eléctrica, con el signo opuesto. Así por cada quark tenemos un antiquark y por cada leptón un antileptón. Cuando un fermión y su correspondiente antifermión se encuentran se aniquilan mutuamente, convirtiéndose en energía y, a la viceversa, si tenemos energía superior a la suma de las masas de fermión y antifermión, puede convertirse en un par fermión-antifermión.

El 7 de agosto de 1912, el físico austriaco Victor Franz Hess descubrió esta potentísima fuente de energía llegada del espacio, lo que años después le supuso el premio Nobel ABC.ES / MADRID V.F. SOCIETY    Víctor F. Hess, en un globo entre 1911 y 1912.

La historia de la Física de Partículas debe mucho al descubrimiento de los rayos cósmicos, realizada por el físico austríaco Francis Hess, en 1912, y apodados como tales por el físico americano Robert Millikan, en 1925. Los experimentos de Hess, utilizando globos aerostáticos, concluyeron que la cantidad de radiación crecía por encima de los 2000 metros de altura y la fuente de los mismos eran el Sol y otras fuentes procedentes del firmamento.

A partir de esa fecha y hasta mediados del siglo XX, gracias a los experimentos con rayos cósmicos, el número de tipos diferentes de partículas observadas, que previamente se reducían al protón y el electrón, se multiplicó, creándose un auténtico caos que obligó a pensar en esquemas de clasificación de las mismas.

                                                                                                                                       Esquema de un sincrotrón

El sincrotrón es un tipo deacelerador de partículas.  Se diferencia de otros aceleradores en que las partículas se mantienen en una órbita cerrada. Los primeros sincrotrones se derivaron del ciclotron. que usa un campo magnético constante para curvar la trayectoria de las partículas, aceleradas mediante un campo eléctrico también constante, mientras que en el sincrotrón ambos campos varían. La velocidad máxima a la que las partículas se pueden acelerar está dada por el punto en que la radiación sincrotrón emitida por las partículas al girar es igual a la energía suministrada. Los sincrotrones también se utilizan para mantener las partículas circulando a una energía fija; en este casos reciben el nombre de «anillos de almacenamiento».

En 1947, los físicos del Laboratorio Lawrence Berkeley, de California, construyeron el primer gran acelerador, un ciclotrón, comenzando la era de los grandes aceleradores de partículas, que continuaron descubriendo nuevos tipos de las mismas, de modo que, en 1960, había cientos de tipos de partículas observadas, sin que hubiera, aún, un esquema de clasificación adecuado. Este fue desarrollado durante la década de 1960, en la que el análisis de las colisiones de partículas, y las propiedades de los diferentes tipos de interacción observadas, establecieron la base para la construcción del Modelo Estándar.

    Sí, las fuerzas fundamentales, o, interaciones… ¡Están presentes en todas partes por el Universo! Son las que marcan el ritmo

Las leyes que rigen el comportamiento de las interacciones fundamentales y sus propiedades de simetría permitieron establecer un marco de clasificación de los hadrones (partículas compuestas por quarks, como es el caso del protón) que pueden ser de dos tipos: Bariones, si en su constitución tenemos tres quarks, o mesones, si si están constituidos de un quark y un antiquark.

En realidad, la dinámica de los hadrones está determinada, esencialmente, por la interacción nuclear fuerte, de modo que los quarks constituyentes son los quarks de “valencia”, en analogía con los electrones de valencia de los átomos (los que fijan sus propiedasdes químicas). En la dinámica de la interacción fuerte nuclear hay un continuo intercambio de Gluones entre los quarks y reacciones de producción y aniliquilación de quarks y antiquarks mediante Gluones.

Esta dinámica es debida a la existencia de una propiedad intrínseca de los quarks que denominamos “color”, que es intercambiada en las reacciones de Quarks y Gluones. Los hadrones son,  globalmente,  neutros de color (como los átomos son neutros de carga eléctrica) y es tan fuerte y característica la interacción que los quarks están confinados en unas dimensiones especiales inferiores al tamaño de los núcleos de los átomos, siendo paradójicamente casi libres en el interior de los hadrones (libertad asintótica de los quarks).

La fuerza nuclear fuerte es la más potente de la Naturaleza y mantiene el núcleo de los átomos unidos

El Modelo Estándar ha sido comprobado desde su desarrollo formal, a mediados de 1960, y sus parámetros han sido medidos con extraordinaria precisión, gracias al desarrollo de experimentos muy potentes, entre los que destacan los realizados en el acelerador LEP (“Large Electrón Positrón”) del CERN ( Centro Europeo de Física de Partículas, en Ginebra), durante la última década del siglo XX, y del Tevatrón del Laboratorio Fermilab (Chicago, USA), aún en funcionamiento.

A continuación viene una referencia al LHC que, a estas alturas está sobrepasada por conocer todos nosotros lo que ha pasó en su inauguración y sus primeras pruebas. Así que, no me parece oportuno plasmar aquí esa referencia que conoceremos de primera mano cuando sucedieron los hechos y toda la prensa los publicó.

emilio silvera

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