Investigadores de un grupo internacional de físicos de alta energía llamado la colaboración Belle han observado la partícula hb en los datos del Acelerador de Partículas KEK en Tsukuba, Japón. La Colaboración Belle presentó sus conclusiones en la 25 º Conferencia Anual de la Física de Partículas en La Thuile, Italia a principios de marzo.
"Queremos entender la subyacente teoría unificadora de todo. Parte de esto es obtener un entendimiento más profundo de la fuerza fuerte," dijo el físico David Asner del Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste (PNNL) del Departamento de Energía de Estados Unidos y miembro de la Colaboración Belle . "El estudio de estos nuevos estados nos permitirá probar las teorías que describen la fuerza nuclear fuerte."
La mayoría de la gente han oído hablar de la gravedad e incluso del electromagnetismo, pero estas son sólo dos de las cuatro fuerzas estudiadas por los físicos. Los investigadores deben explorar las otras dos, las llamadas fuerzas "fuertes" y "débiles", para conseguir una comprensión cabal del universo.
Para estudiar la fuerza nuclear fuerte, los investigadores se enfocan en los quarks, las partículas más pequeñas como piezas individuales de los átomos. De hecho, los quarks se unen para formar protones y neutrones, los componentes del núcleo de un átomo. Además, los quarks pueden también formar mesones, partículas compuestas por quarks y sus contrapartes de antimateria (antiquark). Y así como el electromagnetismo une a los electrones al núcleo de un átomo, la fuerza fuerte une a los quarks en un protón, un neutrón o un mesón.
Asner y sus colegas estudiaron los mesones compuestos de quarks abajo - uno de los seis sabores de quarks. En esta familia de mesones llamados bottomonium, un quark abajo y un anti-quark abajo zumban alrededor el uno del otro en una de las más de una docena de órbitas diferentes, algunas con más altas energías, y algunas con más bajas. Cada órbita corresponde a un diferente "estado" de bottomonium con sólo los dos quarks, pero con una masa diferente, gracias a la Teoría de la Relatividadde Einstein .
Los mesones tales como el bottomonium son fabricados y estudiados en grandes instalaciones llamadas aceleradores de partículas tales como el KEK en Japón o el Tevatron en el Laboratorio Acelerador Nacional Fermi en Batavia, Illinois, también conocidos como colisionadores de partículas. En el acelerador KEK, los electrones colisionan a alta velocidad con sus homólogos de antimateria, los positrones. Las colisiones originan partículas bottomonium que contienen altas cantidades de energía, que luego se desintegran en estados bottomonium de baja energía. Es un poco como la identificación de un modelo de coche luego de romperse en pedazos y examinar las piezas.
Los físicos han estado identificando y catalogando estos estados bottomonium desde 1977, cuando los investigadores encontraron la primera partícula bottomonium.
cada uno de los ocho picos en el gráfico representan a diferentes partículas que van desde la más pequeñas a la izquierda a las más grandes a la derecha.Los dos picos señalados como hb son partículas recientemente identificadas que podrían ayudarnos a comprender como el universo funciona.
los físicos intentan identificar todas las partículas que existen y han descubierto otras dos recientemente, las cuales pertenecen a la familia bottomonium.
La Colaboración Belle, compuesta de 400 físicos de 14 países, ha estado colisionando electrones y positrones en el KEKB de Japón por más de una década. Asner y sus colegas del PNNL, junto con Todd Pedlar del Luther College en Decorah, Iowa, se unieron a la Colaboración Belle en el 2010 y comenzaron a analizar los datos recogidos con anterioridad,en la búsqueda de un cierto tipo de estado bottomonium llamado spin singlete.
Aunque los físicos se refieren a "spin", los quarks no están realmente girando sobre sus ejes en su lugar el “spin”se refiere al magnetismo - el quark y el antiquark son como diminutos imanes de barra con un polo norte y sur. En un spin singlete ,los "polos magnéticos" del quark y el anti-quark apuntan en direcciones opuesta y se anulan entre sí. Sólo un tipo de spin singlete se había observado anteriormente el - ηb (eta-sub-b) - por investigadores del SLAC National Accelerator Laboratory en el 2008.
El espín singlete ηb tiene la energía más baja de todos los estados bottomonium, y el espín singlete que Asner y sus colegas estaban buscando, hb tenía una energía ligeramente mayor .
Los físicos teóricos predijeron que el espín singlete hb aparecería en los desperdicios de uno de los estados de energía más alta del bottomonium, pero sólo una vez cada 100 veces que la partícula bottomonium, se desintegrara. Además, la partícula de alta energía emite otras partículas no relacionadas, cuando cae de golpe al estado hb . Estos trozos de metralla rebotan alrededor y se golpean entre sí, provocando ruido de fondo.
Entre la rareza de la aparición de hb y el alto ruido de fondo, el análisis del equipo tenía que escudriñar a través de grandes cantidades de datos para encontrar su aguja en el pajar. El equipo estaba integrado por el Grupo de Asner y dos científicos rusos - Roman Mizuk del Instituto de Física Teórica y Experimental en Moscú y Alexander Bondar del Instituto Budker de Física Nuclear de Novosibirsk.
El equipo encontró no sólo a hb sino a otra partícula bottomonium con una energía un tanto mayor, hb(2P), y determinó su masa.Además, la desintegración produjo más partículas de lo esperado, lo que sugiere que hb y hb (2P) se derivan de lo que los físicos llaman un proceso "exótico", lo que significa simplemente que no están todavía seguros de cómo emergieron.
El equipo también observó un tipo particular de "división hiperfina" en el bottomonium por primera vez. ¿Cómo los dos quarks(quark-antiquark) giran uno alrededor del otro en el singlete hb esto hace que sean un poco más pesado con respecto a la masa media de los otros estados bottomonium. Esta diferencia de masa pequeña se conoce como "división hiperfina", y su medición es el único medio para determinar la interacción directa entre los spines de los quarks cuando se encuentran en ciertas órbitas conocidas como las P-ondas. Esta es la primera vez que la división hiperfina de P-onda se ha observado en el bottomonium.
Los quarks más pesados - como el quark bottom - dan algunas de las medidas más precisas de las propiedades fundamentales de la fuerza fuerte. Los resultados de las mediciones que Asner y sus colaboradores han hecho, representan un avance significativo en la comprensión del sistema bottomonium, y el papel de las interacciones de spin en los sistemas de quark-antiquark. Entender cómo funcionan estos sistemas los ayudará a ellos y a otros científicos a probar la fuerza nuclear fuerte y su papel en el universo.
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fuente de la información:
http://www.pnl.gov/news/release.aspx?id=857
