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

quarks y antiquarks Charm,presentan diferencias que provocarían fuerte violación CP.

Diferencias entre las propiedades de desintegración de mesones portadores del quark charm(encanto), y las de sus antipartículas pueden llevar a pistas sobre el misterio de la antimateria que falta en el Universo.
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