De lo que podemos observar, no hay simetría entre materia y antimateria en el Universo. Todas las estructuras, desde los inimaginablemente grandes cúmulos de galaxias hasta las microscópicas células humanas, están hechas de materia: protones, neutrones y electrones.A pesar de que es posible producir antimateria de antiprotones, antineutrones y positrones-en las colisiones de partículas de alta energía, e incluso hacer uso médico de los positrones, la antimateria parece haber desaparecido del universo en general.
Hasta ahora, todas las diferencias observadas experimentalmente en el comportamiento entre la materia y la antimateria son bien explicadas por el modelo estándar de física de partículas. Al aplicar esta teoría al comportamiento de la materia y la antimateria en el Universo temprano, sin embargo, las diferencias son demasiado pocas para explicar la asimetría observada en la actualidad. Ahora, en un artículo que aparece en la revista Physical Review Letters,la colaboración del Large Hadron Collider beauty (LHCb) del CERN ha encontrado una diferencia en las propiedades de desintegración de los mesones D y sus antipartículas que es tal vez demasiado grande para ser explicada por el modelo estándar [ ver aquí].Si los experimentos futuros confirman la conclusión del equipo, la cual actualmente no es estadísticamente significativa como para ser proclamada un "descubrimiento", podría llegar a ser un hito en la comprensión de la desaparición de la antimateria en el Universo.
desequilibrio materia-antimateria.Crédito.Sandbox Studio.
La primera clave para explicar la asimetría entre materia y antimateria se produjo en 1964 a partir de un experimento de Christenson, Cronin, Fitch, y Turlay [ ver aquí ]. Ellos estudiaron los mesones K, partículas compuestas de un quark Strange y un antiquark down (o un quark down y un antiquark Strange). Mediante la observación de las desintegraciones de larga duración de los mesones K en pares de mesones π (piones), el equipo estableció que un cierto tipo de interacción actuaba con diferente intensidad sobre las partículas y sus antipartículas. Sus resultados demostraron que la simetría entre partículas y antipartículas-conocida como carga-paridad o simetría CP se rompe en la naturaleza. Tres años después de este descubrimiento, Andrei Sajarov mostró que tal violación CP, puede en principio, explicar cómo el Universo evolucionó a partir de un estado inicial con cantidades exactamente iguales de materia y antimateria, al universo actual, con la materia solamente [ ver aquí ].
Otro gran avance vino en 1973. En ese momento, la lista de los quarks conocidos incluía al up, down, y al strange además se había hipótetisado la existencia del quark charm, el cual no fué descubierto sino hasta 1974 (ver aquí). Kobayashi y Maskawa argumentaron que las interacciones débiles del modelo estándar, las cuales son responsables de la desintegración nuclear beta, violarían la CP, señalando que habían más quarks que estos cuatro [ ver aquí ]. Para matemáticamente darle lugar a la violación CP, la teoría de Kobayashi y Maskawa necesitaba una tercera generación: los quarks bottom el leptón tau y el neutrino tau, todos los cuales fueron eventualmente descubiertos.
En su forma actual, el modelo estándar con tres generaciones de quarks es capaz de explicar cómo la antimateria desapareció del Universo en una fracción del primer segundo después del Big Bang. Pero la diferencia entre la forma en que las interacciones débiles afectan a la materia y la antimateria es demasiado pequeña, "prediciendo" una cantidad de materia sobreviviente que no habría sido suficiente para hacer incluso una galaxia, por no hablar de las billones de galaxias en el Universo observable.Como resultado de ello, los físicos no han dejado de preguntarse "¿Por qué la antimateria desapareció?" Y han comenzado a preguntarse "¿Por qué la materia sobrevivió?".
Este dilema ha llevado a los teóricos a especular acerca de las nuevas teorías, más allá del modelo estándar, donde la CP es fuertemente violada para que la materia pudiera sobrevivir en un escenario del Big Bang. Por su parte, los experimentadores han tratado de medir más y más las asimetrías CP de los procesos en los que la tasa de desintegración de algunos mesones en partículas finales es diferente de la tasa de desintegración del antimeson correspondiente en las correspondiente antipartículas finales, con la esperanza de encontrar rastros de esas nuevas interacciones. En particular, los dos altamente exitosos experimentos “B-factory”, Belle en el KEK, en Japón, y Babar en el SLAC en California, midieron numerosas de tales asimetrías en la desintegración del Mesón B durante la última década. Sin embargo, todas sus medidas encajan muy bien en la teoría de Kobayashi-Maskawa de la violación CP. En otras palabras, no hay experimentos que haya producido evidencia de nuevas fuentes de violación CP, más allá de la interacción débil.
El nuevo experimento LHCb puede medir las asimetrías CP en las desintegraciones de mesones llevándo quark bottom y mesones llevando quark charm. La gran ventaja del experimento LHCb es que puede aprovechar el gran número de colisiones proporcionadas por el LHC. Con más colisiones, el equipo puede adquirir más estadísticas, logrando una mejor precisión, y, en consecuencia, tienen una mejor oportunidad de descubrir las asimetrías CP que han eludido las medidas anteriores. Lo que ellos encuentran es que los mesones D decaen en pares K+K− ligeramente con menor frecuencia que los anti- mesones D, mientras que los mesones D decaen en pares π+π− ligeramente más a menudo que los anti-mesones D. (Debido a una asimetría en el número de mesones D y anti-mesones D producidos, el experimento LHCb no mide las asimetrías en las desintegraciones en K+K- y en π+π− por separado, sino sólo la diferencia entre ellos. La medición de la diferencia por lo tanto anula el error sistemático en relación con la producción asimétrica.) Información desde otros experimentos, como el experimento CDF en el Fermilab [ ver aquí], apoyan el resultado del LHCb y sugieren que las dos asimetrías son similares en tamaño y de signo opuesto .
La medición del LHCb proporciona la primera evidencia de violación CP en las desintegraciones de mesones que contienen el quark charm.Lo que hace a esta medición en particular muy interesante, sin embargo, es que el tamaño de la asimetría, casi uno por ciento, es inesperadamente grande. El mesón D está compuesto del quark charm de segunda generación, y el antiquark up de la primera generación.Para que las interacciones débiles generen la violación CP en una desintegración del Mesón D, la tercera generación, más concretamente, el quark bottom, debe estar involucrado. Pero los, acoplamientos del portador de la fuerza débil, el bosón W, a un par charm- bottom y a un par bottom-up, son muy pequeñas, de tal manera que la asimetría CP esperada por los teóricos es sólo del orden de 10−3, en lugar de los 10-2 observados por el LHCb. ¿Estamos al fin consiguiendo la clave a partir de experimentos del tan esperado indicio de la nueva -violación CP de las interacciones?
El problema es que no podemos estar seguros de que la predicción teórica es correcta porque el cálculo de las tasas de desintegración del quark charm es muy difícil. El problema tiene que ver con el hecho de que, a pesar de que estos decaimientos son mediados por las interacciones débiles, las interacciones fuertes necesariamente desempeñan un papel a medida que se unen los quarks en los mesones. Para la desintegración del meson llevando al pesado bottom, y para la desintegración del meson llevando al ligero strange , nosotros a menudo podemos aplicar rigurosos métodos teóricos, sobre la base de simetrías aproximadas, que ayudan en la realización de cálculos fiables. Sin embargo, los mesones que llevan charm , están en algún lugar en el medio, dejando a los teóricos confundidos cuando se pretende más que un orden de magnitud de precisión en sus cálculos. Más a menudo que no, parece que las interacciones fuertes afectan al quark charm, como si el fuera pesado, por lo que las estimaciones teóricas no están tan lejos de las tazas medidas. Actualmente, sin embargo, no hay manera rigurosa para descartar la posibilidad de que los efectos de la interacción fuerte aumenten la contribución relacionada al quark bottom a las desintegraciones D a K+K- y D a π+π− en una cantidad lo suficientemente grande como para generar el mismo tipo de asimetría como la observada por el LHCb.
Esta situación hace que los teóricos no dejen de pensar en la nueva física que podría generar una asimetría del orden de uno por ciento. Los dos modos relevantes de desintegración desde hace mucho tiempo se sabe que son sensibles a los nuevos efectos físicos, mucho más que otras desintegraciones del Mesón D[ ver aquí]. Es difícil esperar mucho progreso en el cálculo de la predicción del modelo estándar de la asimetría con una precisión que haría un caso convincente ya sea para el modelo estándar o los efectos de la nueva física. La mejor manera de avanzar (además de lograr la precisión necesaria experimental para reclamar un descubrimiento) parece ser mediante el examen de las teorías candidatas de la nueva física Si estas teorías sugieren, como lo hacen normalmente, las desviaciones del modelo estándar en otros procesos, vamos a tener una mejor orientación en la búsqueda de pistas adicionales [ ver aquí ]. Por ejemplo, una gran clase de modelos supersimétricos pueden dar cuenta de la asimetría CP del orden de uno por ciento [ ver aquí ], y sugieren que los efectos relacionados podrían ser observados en la búsqueda del momento dipolar eléctrico del neutrón. Por supuesto, los descubrimientos directos por parte de los experimentos ATLAS y CMS sin duda ayudarán.
La significación estadística de la medición del LHCb es de alrededor de 3.5 sigma(σ) . Para reclamar un descubrimiento, una significación de 5 sigma se requiere.Si la medición del LHCb se convierte en un descubrimiento, entonces hay dos posibles escenarios teóricos. Puede ser que el modelo estándar genere la asimetría CP, en cuyo caso aprenderemos una interesante, y algo sorprendente, lección sobre la forma en que las interaccion fuerte puede afectar la desintegración del quark charm . Si se trata de nueva física que genera la asimetría CP, entonces la medición del LHCb es más que la primera manifestación de esta nueva física, y ello puede ser un primer paso hacia la solución del misterio de la antimateria perdida.
artículo del físico Yosef Nir para physics.aps.
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v5/31
