observando oscilaciones materia-antimateria.

Mientras que la mecánica cuántica es por ahora una teoría bien establecida, no obstante sigue fascinando tanto a principiantes como a expertos por igual con fenómenos inusuales. La paradoja del gato de Schrödinger y las sutilezas de la interferencia de dos rendijas son ejemplos clásicos de ello. Otro efecto cuántico menos familiar, las oscilaciones de mesones neutros (estados unidos de un quark y un antiquark), también ha intrigado a legiones de físicos por casi sesenta años [ver aquí]. Estos mesones oscilan hacia adelante y hacia atrás entre estados de partículas y antipartículas. Las ideas teóricas que subyacen a este comportamiento implican conceptos que se entrelazan profundamente en la historia de la física de partículas. En la revista Physical Review Letters, la colaboración LHCb ha informado [ver aquí] la primera observación en una sola medida significativa de las oscilaciones del meson D neutro - La interacción débil, más conocida como la fuerza fundamental que causa el decaimiento beta radiactivo, es el alquimista de la física de partículas elementales, es capaz de cambiar el tipo, o "sabor" de los quarks [los quarks pueden venir en up(u), down (d ), charm (c ), strange(s) , top (t ), o bottom (b ) ] Recordemos, por ejemplo, que un neutrón, que contiene un quark up y dos quarks down (udd) emite un electrón y un antineutrino durante la desintegración beta y se convierte en un protón(uud) .Tal cambio de sabor, aquí desde down hacia up, es una característica de la interacción débil. Los mesones, construidos a partir de un quark y un antiquark en lugar de tres quarks, permiten una posibilidad más sutil. Una interacción débil de segundo orden puede hacer que el quark y el antiquark intercambien lugares : un neutral meson D⁰(cu^-)puede oscilar en su antipartícula,un D^-0(uc^-) Como se muestra en la figura. 1(d).Hay cuatro posibles sistemas de mesones propensos a este tipo de oscilaciones. Estos son: K⁰(ds^-) ,  D⁰(cu^-) ,  B⁰(db^-) ,  B_s⁰(sb^-) y sus respectivas antipartículas los cuales forman un clasico sistema cuántico de dos estados donde se pueden producir estas oscilaciones.Mientras que las oscilaciones en los sistemas K, B y B_s,ya han sido establecidas, las oscilaciones entre D⁰ y D^-0 son las últimas de este cuarteto en ser observadas. Las Oscilaciones del Meson están íntimamente relacionadas con la existencia de tres generaciones de quarks: up-down (u ,d), charm -strange (c,s), y top-bottom (t,b). La construcción de los átomos requiere sólo de los quarks up y down, sin embargo, hay dos generaciones adicionales. La existencia misma de estos quarks adicionales es un misterio de larga data en la física de partículas: son más masivo, pero por lo demás similares copias de los quarks up y down. El cuarteto de oscilantes pares de mesones contiene a estos quarks adicionales, y la física detallada de las interacciones débiles otorga a cada uno de los cuatro pares de mesones un carácter algo diferente. El carácter de las oscilaciones, y por lo tanto nuestra estrategia para detectarlas, depende de dos parámetros claves. Las interacciones débiles permiten a los de otro modo degenerados mesones D⁰ y D^-0mezclarce entre sí.Esto da lugar a dos nuevos autoestados, con pequeñas diferencias en sus masas y tiempos de vida, dando lugar a oscilaciones entre D⁰ y D^-0 con una frecuencia relacionada con esta diferencia de masa. Las observaciones son más fáciles cuando el período de oscilación es comparable al tiempo de vida. Este es el caso para los sistemas K y B , donde el fenómeno está bien estudiado. Por otro lado, para el sistema B_s las oscilaciones son muy rápidas y los experimentos requieren de alta resolución temporal para finalmente resolverlas. Para el caso D , hay poco tiempo para que las oscilaciones más lentas tengan un efecto antes de la desintegración de las partículas, y por lo tanto suficientemente altas mediciones estadísticas son la clave para una buena observación.



fig 1,(a)-(c)muestra como la carga del meson π desde la desintegración de D^* y D puede ser usado para "etiquetar" el sabor de D(D⁰ o D^-0)en la producción y desintegración .Una desintegración de signo-derecha (RS)se aprecia en (a) y la desintegración de signo-opuesta se observa en (b) y (c) apreciándose las 2 posibles fuentes para la carga de los mesones π.En (d) se despliega el proceso de interacción débil responsable de la oscilaciones D⁰-D^-0 la cual involucra a las tres generaciones de quarks.Crédito.APS/Alan Stonebraker.


Búsquedas de oscilaciones D⁰-D^-0con diferentes técnicas llegaron recientemente a buen término. La primera evidencia vino de las colaboraciones BaBar y Belle en el 2007, con una mejor prueba prontamente suministrada por la Colaboración CDF y otras medidas adicionales [ver aquí, aquí y aquí]. Una combinación global de estos resultados pioneros estableció la existencia de estas oscilaciones. Ahora , el LHCb ha presentado [ver aquí] la primera observación clara basada en una sola medición. La técnica básica utilizada por el LHCb consiste en determinar el sabor,D⁰ o D^-0 en la producción y luego de nuevo en la desintegración, lo que permite la detección de un cambio de sabor (oscilación). Entre las partículas producidas por las colisiones protón-protón estudiadas por el LHCb están los mesones D^*. Un D^*+ normalmente decae a D⁰π⁺ y un D^*- a D^-0π^- pero nunca lo opuesto. Así, la carga del meson π definitivamente etiqueta el sabor inicial del meson D. Para etiquetar en la desintegración, una vez más se utilizan cargas eléctricas en determinadas desintegraciones específicas. Como se muestra en la figura. 1(a), una común desintegración D⁰ produce un K^-π⁺, en esta desintegracion de signo-derecho(RS), el meson π desde la desintegración del meson D^* y el meson π desde la desintegración de D⁰ tienen el mismo signo. Una desintegración de signo-opuesto (WS) tiene diferentes cargas de los mesones π y pueden indicar que una oscilación D⁰-D^-0 ,seguida por la desintegración de la antipartícula, D^-0→K⁺π^- ocurrió, como se muestra en la figura. 1(c). El único detalle es que una pequeña parte, aproximadamente el 0.4 % , de todos los decaimientos a K π son en realidad D⁰→K⁺π^- proporcionando una segunda fuente de desintegraciones de signo-opuesto independiente de las oscilaciones [ver fig. 1(b)]. Pero el tiempo nos ofrece una solución: este proceso de fondo tiene una amplitud constante, mientras que las oscilaciones varían en el tiempo. Sin oscilaciones, la tasa de WS / RS sería una constante 0.4 % vs tiempo. ( Lo que los físicos del LHCb observaron en su lugar fue una pequeña variación en función del tiempo ± 20 % ) en la tasa de WS / RS. Para señalar la oscilación, las desintegración de signo-opuesto debe suceder en el momento adecuado. La dependencia del tiempo está ajustada para extraer los parámetros de oscilación y la hipótesis de que no hay oscilaciones D⁰-D^-0 se descarta con una confianza estadística alta (9.1 desviaciones estándar). El tiempo es crucial para el LHCb en otro aspecto. Los sistemas de detección [ver aquí] y disparador [ver aquí] del LHCb están sintonizados para estudiar los estados que contienen quark bottom o quarks charm . Las colisiones se producen a un ritmo de 11 megahertz, pero los datos sólo se pueden guardar en 3 kilohercios para su posterior análisis. Una clave para el éxito de la selección es la vida útil relativamente larga, aproximadamente un picosegundo, para los estados que contienen estos quarks. Para las partículas en rápido movimiento, estos tiempos cortos corresponden a distancias de propagación medibles, que permiten espacialmente separarlas. Dado que las mediciones de alta precisión se requieren para tomar decisiones en tiempo real, una inmensa cantidad de trabajo entra en la calibración, control de calidad, mantenimiento y otras actividades necesarias para que el proceso funcione. Los datos de alta calidad obtenidos para la medición de oscilación D⁰ son un testimonio del éxito de esta empresa. La capacidad de escoger selectivamente colisiones interesantes permite un programa de física muy amplio en el LHCb [ver aquí]. Esfuerzos de investigación sustanciales se dedican actualmente a las interacciones débiles de los quarks y los enigmas asociados de sus tres generaciones. Lo ideal sería que las oscilaciones discutidas aquí ayudaran en la búsqueda de indicios de nueva física más allá del actual modelo estándar de la física de partículas.Es tentador que los resultados experimentales se encuentran hacia el extremo superior del rango predicho teóricamente, pero por desgracia cálculos precisos de las oscilaciones D⁰-D^-0 no son posibles. En cambio, este y otros experimentos relacionados se presentan como un desafío a nuestra capacidad teórica. Pero aún a la espera de avances en ese frente, todavía podemos disfrutar de las armonías sutiles del cuarteto oscilante de la naturaleza, ahora por fin terminado.





artículo del físico Roy A. Briere para Physics.aps.






fuente de la información:






 http://physics.aps.org/articles/v6/26