Cada familia tiene cuatro tipos de partículas: dos quarks y dos leptones. La materia ordinaria está esencialmente constituida por partículas de la primera familia: los quarks arriba y abajo, que están fuertemente ligados dentro de los protones y los neutrones; los electrones y los neutrinos electrónicos , que son abundantemente producidos por reacciones de fusión dentro de las estrellas. Por lo que sabemos, los quarks y los leptones de la segunda y tercera familia son copias idénticas de los de la primera familia, pero tienen más pesadas masas. Estos quarks pesados y leptones cargados son partículas inestables que pueden ser producidos en las colisiones de alta energía, pero decaen extremadamente rápido, a través de la interacción débil, en partículas de la primera familia.
Esta descripción de la materia es coherente con lo que los experimentos han observado, pero ¿por qué tenemos tres réplicas casi idénticas de los quarks y los leptones (también conocidos como los tres "sabores" de quarks y leptones), sólo que con diferentes masas, es una de las grandes preguntas abiertas en la física de partículas. En el límite de la no ruptura de la simetría electrodébil, ninguna de las partículas del modelo estándar debería tener una masa. El problema de las masas de los quarks y los leptones por lo tanto, está íntimamente relacionada con la otra gran cuestión abierta en la física de partículas: ¿por qué los portadores de la fuerza débil los bosones W y Z-tienen masa? En el modelo estándar, estos dos problemas son resueltos por lo que se llama el mecanismo de Higgs: los quarks y leptones, asi como los bosones W y Z, tienen una masa porque interactúan con un nuevo tipo de campo, el llamado campo de Higgs. En este cuadro, es el campo de Higgs quiénrompe la simetría electrodébil. Si los experimentos de alta energía en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN puede detectar una excitación del campo de Higgs-(el bosón de Higgs), sería la prueba de que este mecanismo es la base de las masas de las partículas existentes.
El mecanismo de Higgs postulado en el modelo estándar, sin embargo, no es satisfactorio por diversos motivos, sobre todo porque se convierte en inestable a altas energías. En cambio, es probable que la idea de un campo de Higgs sea realmente sólo una aproximación de baja energía de una teoría más fundamental. La señal de esta "verdadera" teoría aparecería a energías más elevadas como nuevos grados de libertad en la forma de nuevas partículas pesadas. Los intentos de encontrar pruebas de esta nueva teoría se puede dividir en dos categorías principales: (i) búsqueda directa de los nuevos grados de libertad a través de experimentos en la frontera de alta energía, y, en particular en el LHC, y (ii) búsqueda indirecta de las nuevas partículas a través de estudios de precisión a bajas energías, la llamada frontera de alta intensidad. Esto último es particularmente relevante para determinar la estructura de sabor de los nuevos grados de libertad, o cómo estos nuevos campos se acoplan a las distintas familias de quarks y leptones. Es en este contexto que Joachim Brod, Gorbahn Martin, y Stamou Emmanuel de la Universidad Técnica de Munich, Alemania, han elaborado una mejor descripción teórica de un raro decaimiento de partículasque dará a los experimentadores una poderosa herramienta para buscar signos de una mayor teoría fundamental . Sus cálculos, detallan específicamente la probabilidad de que un mesón K (kaón) se desintegre en un pión(π), neutrino(ν) y antineutrino(ν־) (K→πνν־) (ver Fig), Se presentan en la revista Physical Review D.
Si se asume que es la imagen correcta, la presencia del campo de Higgs mezcla diferentes familias de quarks bajo la interacción débil y establece una jerarquía en los varios modos de desintegración de los quarks más pesados en los más ligeros. En particular, la interacción entre las interacciones débiles y de Higgs implica que los procesos en los que un quark cambia su sabor, pero no su carga (por ejemplo, el quark extraño que pertenece a la segunda familia se transforma en el quark abajo de la primera familia, que tiene una masa diferente, pero la misma carga eléctrica) pueden ocurrir sólo en órdenes superiores de la interacción electrodébil y son fuertemente suprimidos. Estos procesos, llamados transiciones de corrientes neutrales de cambio de sabor (FCNC), son un lugar ideal para buscar una nueva física: la señal (de la nueva física) sobresaldrá en el contexto reducido de lo que ya está predicho por el modelo estándar.
arriba en la imágen la desintegración de K→πνν está mediada por la transicion de la corriente neutral de cambio de sabor s→dνν (donde s y d reprentan a los quark strange y down respectivamente).Abajo se muestra un diagrama representativo de un lazo de la contribución a la amplitud de s→dνν dentro del modelo estándar a la izquierda y dentro de una extensión del modelo estándar a la derecha.Credito: Alan Stonebraker .
El decaimiento K→πνν־en el estudio de Joachim Brod es un ejemplo particularmente interesante de las transiciones FCNC: la probabilidad de que estos procesos ocurran (la llamada razones de desintegración) se puede calcular a un grado excepcionalmente alto de precisión, no comparado con cualquier otro proceso FCNC con participación de los quarks. La excepcional limpieza teórica de la desintegración K→πνν־ en el modelo estándar tiene un origen muy simple: la probabilidad de la desintegración es dominada por el intercambio de las más pesadas partículas del modelo estándar (el quark top, y los bosones Z y W) y estas contribuciones pueden calcularse de manera fiable en la teoría de perturbaciones. A partir de principios de los noventa, los teóricos comenzaron a hacer estos cálculos de forma cada vez más precisa [más información aquí ,aquí yaquí]. Joachim Brod refuerza aún más la limpieza teórica de estos modos con una evaluación completa de las contribuciones electrodébiles de dos lazos (es decir, incluidas las contribuciones hasta el sexto orden en la constante de acoplamiento débil). Como fué discutido en su estudio los presentes errores teóricos irreductibles de las razones de desintegración son a nivel del 4% y 3% para los modos (K+→π+νν־) y (KL→π0νν־), respectivamente.
Hay un precio a pagar por esta alta limpieza teórica. Las razones de desintegración son pequeñas-por cada diez mil millones de mesones K, sólo uno, en promedio, debería decaer en el estado final πνν־ y la firma experimental (dos neutrinos en los estados finales) es difícil de detectar porque los neutrinos son muy débiles interactuando. Esta es la razón del porqué la búsqueda experimental de estos procesos es una tarea muy difícil. Hasta ahora, sólo unos cuantos eventos ( K+→π+νν־ ) han sido observados por los experimentos E787 [ ver aquí ] y E949 [ ver aquí ] en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Sus datos combinados conducen a una razón de desintegración que es compatible con el modelo estándar, pero tiene un error demasiado grande para proporcionar una prueba muy rigurosa del modelo. En otras palabras, la teoría es mucho más precisa de lo que los experimentadores son actualmente capaces de medir. La buena noticia es que,nuevos programas experimentales destinados a mejorar sustancialmente la precisión de la medición de estos decaimientos raros se han iniciado o se están discutiendo en varios laboratorios: el experimento NA62 en el CERN pretende recoger cerca de 50 eventos K+→π+νν־ por año, con un 20% de fondo, a partir del 2012. En una escala de tiempo similar, el experimento KOTO en J-PARC pretende recoger algunos eventos del modo neutral, suponiendo que el modelo estándar es correcto. En una escala de tiempo más larga, los experimentos kaón relacionado con el plan de Project-X en el Fermilab podría ser capaz de alcanzar un nivel de precisión de unos pocos puntos porcentuales en los dos modos de desintegración. Gracias a la gran limpieza teórica de las amplitudes K→πνν־ , estos experimentos futuros proporcionarán valiosa información sobre la estructura de sabor de la física más allá del modelo estándar.
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fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v4/15
