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

cada vez más cerca de encontrar al bosón de Higgs.

Hay indicios alentadores de que el bosón de Higgs puede haber sido observado en el Gran Colisionador de Hadrones.

Los mediadores de la fuerza débil los bosones W y Z -son más o menos 100 veces más masivos que el protón, mientras que el fotón, el cual media la fuerza electromagnética, no tiene masa. Con base en los principios de simetría, uno habría esperado que los bosones W , Z y el fotón (llamados colectivamente bosones gauge) serían todos sin masa. Con el fin de generar la ruptura de la simetría requerida, se debe inventar un conjunto particular de nuevas partículas e interacciones, lo que finalmente proporciona una explicación del origen de la masa de las partículas elementales. La forma más sencilla de hacer esto, y la cual se incorpora en el modelo estándar de física de partículas, predice la existencia de una partícula llamada bosón de Higgs . Las interacciones del bosón de Higgs con los quarks, leptones y bosones gauge del modelo estándar es lo único que predice la teoría, pero la masa del bosón de Higgs es un parámetro libre que sólo se puede determinar mediante experimentos [ ver aquí y aquí].
Una de las misiones más importantes del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es el de determinar el origen de la masa al descubrir el bosón de Higgs según lo previsto por el modelo estándar (o, si el Higgs no se encuentra, tal vez por el descubrimiento de fenómenos alternativos que se pueden atribuir al mecanismo de ruptura de simetría). Tres artículos aparecen ahora en Physical Review Letters, dos de la colaboración ATLAS [ ver aquí y aquí] y uno de la colaboración CMS [ ver aquí], informan de la búsqueda del bosón de Higgs entre los restos de las colisiones de alta energía protón-protón en el LHC. Los resultados de estas búsquedas, y varios otros siendo publicados en otro lugar [ ver aquí y aquí ], se anunciaron en diciembre del 2011. En conjunto, han demostrado que el bosón de Higgs del modelo estándar, "si existe", debe estar en un estrecho rango de masas en torno 126 giga-electrón-voltios .Por otra parte, un exceso de acontecimientos en torno a este valor de masa ofrece una tentadora pista de que los experimentadores podrían estar a punto de descubrir la partícula largamente buscada.
A pesar de que el LHC se ha hecho cargo de la búsqueda del bosón de Higgs, lo hace con el conocimiento, acumulado a partir de experimentos anteriores, los cuales señalan donde es probable-y es poco probable que la masa del Higgs pudiera estar. A partir de los experimentos en el acelerador LEP del CERN [ ver aquí ], el cuál cerró en el año 2000, se sabe que la masa del bosón de Higgs del modelo estándar no puede ser inferior a 114 Gev, mientras que los datos posteriores del Tevatron del Fermilab [ ver aquí ], el cual cerró en el 2011, excluye una masa del bosón de Higgs entre los 156 y 177 Gev. (Como es común en la física de partículas, la masa se expresa en términos de su equivalente en energía). Incluso sin un descubrimiento directo, los datos desde el LEP y Tevatron han sido capaces de imponer restricciones adicionales sobre los valores permitidos de la masa del Higgs. Los resultados de las mediciones realizadas en el LEP y Tevatron pueden ser comparados con las predicciones teóricas. Sobre la base de un análisis estadístico de estos datos en el marco del modelo estándar (el cual depende indirectamente de la desconocida masa del Higgs) la masa del Higgs no puede ser más grande que 169 Gev [ver aquí ]. La combinación de las limitaciones en la búsqueda directa de Higgs citadas anteriormente con las restricciones indirectas implica que el modelo estándar es viable si y sólo si, la masa del bosón de Higgs del modelo estándar se encuentra entre 114 y 156 Gev [ ver aqui ].
Si el bosón de Higgs se produce en una colisión de alta energía, debería, según la teoría, ser extremadamente inestable y de inmediato decaer en partículas más ligeras elementales. El modelo estándar predice las probabilidades relativas de un bosón de Higgs desintegrándose en un conjunto particular de partículas como estado final, como se muestra en la fig.(ver abajo) , y es un exceso de estas partículas respecto al fondo de eventos( los numerosos procesos diferentes que pueden producir el mismo estado final de partículas sin la intervención de un bosón de Higgs), lo que los físicos de partículas procuran medir.


fig 1.¿Dónde buscar el bosón de Higgs?El modelo estándar predice la probabilidad(o fracción de desintegración "branching ratio" denotada BR) que un bosón de Higgs decaerá en un particular conjunto de partículas finales.Como un ejemplo la probabilidad de que un bosón de Higgs se desintegre en 2 fotones(línea magenta) es mucho más baja que la probabilidad de que se desintegre en un quark bottom y un antiquark bottom (línea negra) pero el fondo para el estado final de 2 fotones es significativamente menos severo que para el estado final de quarks bottoms así este es un mejor lugar para buscar al bosón de Higgs .La “fracciones de desintegración” para otros estados finales empleados en la búsqueda del bosón de Higgs son también mostradas, el espesor de las líneas denota la incertidumbre teórica.Crédito.A. Denner


En el 2011, el LHC colisionó dos haces de protones en 7 tera-electrón-voltios. En promedio, más de 100 millones de colisiones por segundo se llevaron a cabo, pero la mayoría de estas colisiones fueron"convencionales", porque sólo involucraron las más comunes partículas elementales. Si el modelo estándar es correcto, entonces en raras ocasiones, un bosón de Higgs debería haberse producido. Suponiendo que la masa del Higgs está en el rango de masa esperado,alrededor de 75000 Bosones de Higgs se debieron de producir en los detectores ATLAS y CMS en el 2011.
Como se muestra en la fig. 1, para masas del Higgs por debajo de 135 Gev, La mayoría de estos bosones de Higgs deberían decaer en un par de quarks bottom . Sin embargo, debido a la gran cantidad de quarks bottom producidos cada segundo en el LHC, el fondo del quark bottom abrumaría la señal pequeña asociada a un bosón de Higgs. En cambio, el raro caso en el cual el bosón de Higgs decae en dos fotones, con una probabilidad de aproximadamente de uno en quinientos (la línea de color magenta en la figura. 1), es en realidad un mejor lugar para buscar el bosón de Higgs. En los datos del LHC del 2011, menos de 150 Bosones de Higgs deberían haber decaído en pares de fotones, pero aunque hay un fondo de eventos de dos fotones, es estadísticamente manejable. Lo qué ATLAS ha encontrado [ ver aquí] es un número potencialmente significativo de eventos de dos fotones, cuya masa invariante se agrupa en torno a 126 Gev, Por encima del fondo esperado. (Aunque cada fotón no tiene masa,a la pareja de dos fotones en conjunto se les puede asignar un valor de masa, llamada masa invariante, que depende de las propiedades cinemáticas de la pareja.) Si los dos fotones se originaron a partir de una desintegración del bosón de Higgs, la masa invariante puede ser identificada con la masa del bosón de Higgs en descomposición, es decir, una masa del Higgs de 126 Gev.
Otra rara pero llamativa desintegración del Higgs (que corresponde a la curva azul claro en la figura 1. Etiquetada ZZ) Es una que resulta en un bosón Z y un par de electrones o muones, colectivamente llamados leptones. Posteriormente, el bosón Z también puede descomponerse en un par de leptones, en cuyo caso el resultado final de la desintegración del Higgs es un evento con cuatro leptones. Una vez más, hay un fondo de más procesos convencionales, pero este fondo también es manejable. En su búsqueda de un estado final de cuatro leptones, el CMS fue capaz de excluir la existencia de un bosón de Higgs sobre un rango considerable de masas [ ver aquí ]. De hecho, dentro del rango de masas preferido del Higgs del modelo estándar,el CMS descartó masas del bosón de Higgs por encima de 134 Gev. Sin embargo,el CMS también identificó excesos en eventos de cuatro leptones en las regiones de masa invariante de cuatro leptones de alrededor de 119 Gev ,126 Gev y 320 Gev . Aunque ninguna de las tres observaciones es estadísticamente significativa en sí misma, otras medidas experimentales proporcionan alguna orientación: El exceso en 320 Gev es probablemente una fluctuación estadística ordinaria, mientras que el exceso en 126 Gev es más sorprendente a la luz de los datos de dos fotones del ATLAS[ ver aquí ]. De hecho, un bosón de Higgs de 126 Gev se espera que produzca unos pocos eventos de cuatro leptones por encima del fondo predicho, que es lo que el CMS observó . El exceso en 119 Gev es sin embargo, difícil de interpretar con el conjunto de datos actuales.
Así que, ¿dónde nos encontramos en este momento en el tiempo? Sea o no que los diversos excesos por encima del fondo que se han descrito anteriormente llegaran a ser fluctuaciones estadísticas, las colaboraciones del ATLAS y CMS han ya estrechado significativamente el rango de masas permitido para el bosón de Higgs del modelo estándar. Estos resultados, junto con la búsqueda del ATLAS y CMS [ ver aquí y aquí y aquí ] de los bosones de Higgs decayendo en otros estados finales( por ejemplo, el ATLAS examinó la desintegración en un par de bosones W [ ver aquí ] ), y la indirecta masa del Higgs restringida de los experimentos anteriores, implican que el bosón de Higgs del modelo estándar (si existe) debe tener una masa que se encuentra entre 115.5 Gev y 127 Gev [ ver aquí]. Por otra parte, es tentador atribuir el pequeño exceso de eventos con masa invariante de 126 Gev a un posible bosón de Higgs de la misma masa.
Sin embargo, este intrigante indicio no es (todavía) una observación del bosón de Higgs, y ciertamente no es un descubrimiento del bosón de Higgs. La evidencia estadística para el bosón de Higgs no es lo suficientemente convincente, aunque los datos del LHC que se recogerán en el año 2012 podrían ser decisivos, ya que el colisionador alcanzará los 8 Tev y las muestras de datos se espera que sean 3 veces mayor que los obtenidos en el 2011. Una extrapolación de la esperada serie de datos del 2012 sugiere que si el bosón de Higgs del modelo estándar existe en el rango de masa esperado, entonces , una señal estadísticamente significativa (de 5 desviaciones estándar o más) surgirán. Si esto sucede, podemos reclamar el descubrimiento del bosón de Higgs? En rigor, la respuesta es no. Si la señal enfrenta (dentro de la incertidumbre estadística) la que se espera, entonces todo lo que puede decirse es que la señal es consistente con la del bosón de Higgs del modelo estándar, pero datos adicionales se requerirán para confirmar en detalle que las propiedades de la nueva partícula descubierta coinciden con las propiedades teóricamente esperadas del bosón de Higgs del modelo estándar. Si la señal se desvía significativamente de la esperada, o si la significación estadística de la señal se reduce en gran medida después de analizar los datos del 2012 del LHC, entonces será posible excluir la existencia del bosón de Higgs del modelo estándar en toda su gama de masas permitida, en cuyo caso el más simple mecanismo de ruptura de la simetría empleado por el modelo estándar tendrá que ser sustituido por más complicadas dinámicas de ruptura de la simetría. Cualquiera que sea la naturaleza de la ruta elegida en el 2012 es seguro de que será un año crucial en la física de partículas.


artículo del físico Howard E. Haber para physics.aps.



fuente de la información:




http://physics.aps.org/articles/v5/32