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| Encanto: un mesón encanto neutro está hecho de un quark y un antiquark y puede existir en superposiciones de partícula y antipartícula. (Cortesía: iStock/Traffic-Analyzer) |
La colaboración del LHCb, en el CERN de Ginebra, ha observado y medido una oscilación crucial en la masa medida de los mesones neutros con encanto, que surge de las partículas que se transforman en sus antipartículas y vuelven a ellas. Aunque la detección es totalmente consistente con el Modelo Estándar de la física de partículas, podría proporcionar una ventana "muy limpia" a la física más allá del Modelo Estándar en futuros experimentos, dicen los investigadores.
Los mesones son partículas que comprenden estados ligados de un quark y un antiquark. Son vitales para la unión nuclear, ya que median la interacción fuerte entre protones y neutrones, pero en la naturaleza, los mesones libres solo existen como productos de desintegración de corta duración de las interacciones de los rayos cósmicos. Sin embargo, pueden producirse fácilmente en los aceleradores de partículas y se han estudiado intensamente durante décadas.
Al igual que los protones y los neutrones tienen homólogos pesados, como los bariones sigma, en los que uno o varios de los quarks ascendentes o descendentes son sustituidos por un primo más pesado, lo mismo ocurre con los mesones. El Modelo Estándar predice que algunos de estos mesones pesados existen como superposiciones de partícula y antipartícula, con una función de onda cuántica que evoluciona a medida que las partículas se propagan. En consecuencia, la probabilidad de detectar el mesón o el antimesón también debería evolucionar.
Diferencia de masa
Por razones complejas regidas por la mecánica cuántica y la interacción débil, existe una diferencia en el tiempo de vida -o anchura- y la masa entre las dos superposiciones permitidas. Ambas diferencias pueden afectar a la proporción de mesones y antimesones detectados.
"La diferencia de anchura sólo permite una evolución temporal lenta del mesón al antimesón", explica el portavoz del LHCb, Guy Wilkinson, de la Universidad de Oxford. "Sólo la diferencia de masa permite que la partícula se convierta en otra partícula y vuelva a ella". La evolución debida a la diferencia de anchura se confirmó por primera vez en 2007 en datos de la colaboración Belle en Japón y la colaboración BaBar en California. La oscilación sinusoidal debida a la diferencia de masa se había observado en otras partículas, como los mesones de belleza extraña, pero nunca antes en los mesones encanto.
Tanto la anchura como las diferencias de masa podrían ser cruciales para sondear violaciones de la simetría carga-paridad (CP). Esta es la hipótesis de que, si se intercambian simultáneamente la carga y la paridad, las leyes de la física parecen idénticas. Esto equivale a sondear la asimetría materia-antimateria y, por tanto, estudiar las violaciones de la CP podría explicar por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo.
"Un gran lugar para buscar"
"La violación de CP se puede acomodar dentro del Modelo Estándar", dice Wilkinson, "pero no se puede explicar. La razón por la que el sistema de encantos es un gran lugar para buscar es que el nivel de violación CP que se espera en el Modelo Estándar es diminuto. Si hay una violación de CP procedente de alguna fuente fuera del Modelo Estándar, debería manifestarse mucho más claramente..."
El LHCb sí observó la violación de la CP en una medición de 2019 de la desintegración de mesones encanto neutros en otros mesones. Sin embargo, se discutió si esto era consistente con el Modelo Estándar: "Había algunos teóricos que decían 'Esto es notable: es mucho más alto de lo que esperamos' y muchos otros que decían 'Podemos acomodar esto'", dice Wilkinson; "Si buscas la violación de CP en estos fenómenos relacionados con la mezcla, la gente está mucho más segura de sus cálculos".
Sin embargo, no estaba claro si la oscilación derivada de la diferencia de masa entre los mesones encanto neutros sería detectable. "Podría haber estado muy por encima de nuestra sensibilidad, pero resulta que, aunque es un parámetro pequeño, no es ridículamente pequeño", dice Wilkinson.
Sin pruebas firmes
Las observaciones de los investigadores hasta la fecha no muestran ninguna evidencia firme de violación de la CP. Sin embargo, ahora están instalando una versión mejorada de su experimento, lista para la puesta en marcha del LHC de alta luminosidad el próximo año. "Si vemos alguna violación de la CP en los próximos 10 años, sería muy difícil para un teórico explicarla de otra manera que no sea decir que se trata de física más allá del Modelo Estándar", concluye Wilkinson.
"Es muy importante", dice Tom Browder, de la Universidad de Hawai, que formó parte de la medición del parámetro de vida de la colaboración Belle en 2007 y ahora trabaja en su sucesor Belle II. "Yo y muchos otros hemos estado trabajando durante décadas para observar la mezcla del encanto neutro y LHCb ha logrado finalmente medir este parámetro de masa". Espera que los resultados sean confirmados por otros experimentos como el suyo y dice que, si los investigadores vieran alguna evidencia de violación de CP en los resultados a los niveles actuales de sensibilidad, "eso podría ser muy bien una pistola humeante para la nueva física".
"Ciertamente, queda un camino por recorrer antes de ver la violación de la CP en este proceso, a menos que la violación de la CP sea mucho mayor de lo que predice el modelo estándar", dice Jonathan Rosner, del Instituto Enrico Fermi de Chicago. "Esto demuestra la versatilidad del detector LHCb: ha sido un gran éxito".
La investigación se describe en un preprint en arXiv.
Fuente: physicsworld.com