El quark bottom puede llevar a los físicos en el camino a nuevos descubrimientos.
Symmetry Magazine
Crédito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
Por Sarah Charley, para Symmetry Magazine Marzo 20 de 2018
El Modelo Estándar de física de partículas se ha desarrollado durante varias décadas para describir las propiedades e interacciones de las partículas elementales. El modelo se ha ampliado y modificado con nueva información, pero una y otra vez, los experimentos han reforzado la confianza de los físicos en él.
Y, sin embargo, los científicos saben que el modelo es incompleto. No puede predecir las masas de ciertas partículas, ni puede explicar de qué está hecho la mayor parte del universo. Para descubrir qué hay más allá del Modelo Estándar, los científicos están buscando sus fallas: suposiciones y fenómenos insostenibles que no predice. Un conjunto cada vez mayor de resultados del estudio de quarks de fondo puede ofrecer a los físicos una buena oportunidad para hacerlo.
"El modelo estándar es muy rígido", dijo Marco Nardecchia, un teórico de Italia, "por lo que la mejor manera de romperlo es probando con precisión sus predicciones".
El Modelo Estándar hace muchas predicciones detalladas sobre cómo las partículas deberían interactuar o decaer. Algunos procesos subatómicos son tan complicados que incluso los teóricos no están muy seguros de cómo se supone que deben funcionar. Por un lado: los quarks, los constituyentes que componen las partículas elementales, deberían interactuar de la misma manera con el electrón que con sus primos más pesados, el muón o tau lepton.
Hay seis tipos de quarks. Los más ligeros y más comunes son los quarks arriba y abajo, que juntos forman protones y neutrones. Las partículas que llevan un quark inferior, que es mucho más pesado, son efímeras. En su decaimiento, el quark bottom se convierte en un quark más ligero, preferentemente un quark charm y raramente un quark up, formando otra partícula conocida.
La energía restante es transportada por un leptón cargado: un electrón, un muón o un tau, cada uno acompañado por su neutrino asociado. De acuerdo con el Modelo Estándar, las tasas de producción de electrones, muones y taus difieren solo debido a las masas muy diferentes de estos tres leptones cargados. (La masa tau, por ejemplo, excede la masa del electrón en un factor de aproximadamente 3500).
"Estas predicciones son directas y precisas", dijo Vera Lüth, una científica del experimento BaBar, "por lo que decidimos realizar estas mediciones en primer lugar".
Los científicos que trabajan en tres experimentos diferentes están probando estas predicciones mediante el examen de desintegraciones específicas de partículas que llevan un quark de fondo.
El primer indicio de una mejora tau inesperada apareció en 2012 en el experimento BaBar en SLAC National Accelerator Laboratory, que estudió cerca de 500 millones de eventos producidos en colisiones de posición de electrones, y reconstruyó menos de 2000 desintegraciones que involucran a Taus. En 2015, el experimento Belle en Japón informó una mejora similar en la tasa de tau en datos recopilados de colisiones electrónicas con la misma energía.
"Un amigo que trabajaba en otro experimento estaba seguro de que habíamos hecho algo mal", dice Lüth. "Entonces observaron el mismo efecto".
En 2015, los científicos que trabajan en el experimento LHCb que opera en el CERN vieron signos del mismo fenómeno en muestras muy grandes de colisiones de protones y protones a una energía mucho más alta y tasas de colisión.
"Todos estos resultados apuntan en la misma dirección", dice Hassan Jawahery, profesor de la Universidad de Maryland que trabaja en LHCb. "Eso es lo que desconcierta a todos".
Por sí solos, estos resultados individuales tienen un significado por debajo del nivel que levantaría una ceja. Pero, en conjunto, son "intrigantes", según Tom Browder, el portavoz del experimento Belle y su sucesor, Belle II. "Estamos bastante seguros de que hay algo nuevo por ahí. Probar incluso una pequeña desviación del Modelo Estándar podría conducir a una revolución en nuestro campo ".
Los resultados acumulados hasta ahora han inspirado a los teóricos a especular sobre qué tipo de nuevos procesos físicos podrían causar estas mejoras.
Algunas teorías sugieren que tal vez haya un bosón de Higgs cargado aún no descubierto que favorezca al tau pesado sobre el muón y el electrón mucho más livianos. Otros modelos predicen la existencia de al menos una nueva partícula fuera del Modelo Estándar. "Es posible que necesitemos algo que interactúe con quarks y leptones al mismo tiempo", dice Nardecchia.
Los científicos no sabrán lo que está sucediendo sin más estudios, y la recopilación de datos suficientes para permitir estudios más detallados y precisos será un paso crucial para descubrir.
Los científicos en el experimento LHCb están solo al comienzo de este estudio. Planean analizar alrededor de cuatro veces más eventos en los próximos años. Esperan completar mediciones nuevas y actualizadas para este verano. El programa complejo acelerador LHC prevé importantes actualizaciones que ampliarán los conjuntos de datos de los experimentos durante la próxima década. En paralelo, Belle II está programado para comenzar a recopilar datos en 2019 y se espera que registre lo suficiente como para arrojar luz sobre esta consulta en unos pocos años.
Los Físicos de todo el mundo esperan ansiosamente para comparar notas.
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Por Sarah Charley, para Symmetry Magazine Marzo 20 de 2018
El Modelo Estándar de física de partículas se ha desarrollado durante varias décadas para describir las propiedades e interacciones de las partículas elementales. El modelo se ha ampliado y modificado con nueva información, pero una y otra vez, los experimentos han reforzado la confianza de los físicos en él.
Y, sin embargo, los científicos saben que el modelo es incompleto. No puede predecir las masas de ciertas partículas, ni puede explicar de qué está hecho la mayor parte del universo. Para descubrir qué hay más allá del Modelo Estándar, los científicos están buscando sus fallas: suposiciones y fenómenos insostenibles que no predice. Un conjunto cada vez mayor de resultados del estudio de quarks de fondo puede ofrecer a los físicos una buena oportunidad para hacerlo.
"El modelo estándar es muy rígido", dijo Marco Nardecchia, un teórico de Italia, "por lo que la mejor manera de romperlo es probando con precisión sus predicciones".
El Modelo Estándar hace muchas predicciones detalladas sobre cómo las partículas deberían interactuar o decaer. Algunos procesos subatómicos son tan complicados que incluso los teóricos no están muy seguros de cómo se supone que deben funcionar. Por un lado: los quarks, los constituyentes que componen las partículas elementales, deberían interactuar de la misma manera con el electrón que con sus primos más pesados, el muón o tau lepton.
Hay seis tipos de quarks. Los más ligeros y más comunes son los quarks arriba y abajo, que juntos forman protones y neutrones. Las partículas que llevan un quark inferior, que es mucho más pesado, son efímeras. En su decaimiento, el quark bottom se convierte en un quark más ligero, preferentemente un quark charm y raramente un quark up, formando otra partícula conocida.
La energía restante es transportada por un leptón cargado: un electrón, un muón o un tau, cada uno acompañado por su neutrino asociado. De acuerdo con el Modelo Estándar, las tasas de producción de electrones, muones y taus difieren solo debido a las masas muy diferentes de estos tres leptones cargados. (La masa tau, por ejemplo, excede la masa del electrón en un factor de aproximadamente 3500).
"Estas predicciones son directas y precisas", dijo Vera Lüth, una científica del experimento BaBar, "por lo que decidimos realizar estas mediciones en primer lugar".
Los científicos que trabajan en tres experimentos diferentes están probando estas predicciones mediante el examen de desintegraciones específicas de partículas que llevan un quark de fondo.
El primer indicio de una mejora tau inesperada apareció en 2012 en el experimento BaBar en SLAC National Accelerator Laboratory, que estudió cerca de 500 millones de eventos producidos en colisiones de posición de electrones, y reconstruyó menos de 2000 desintegraciones que involucran a Taus. En 2015, el experimento Belle en Japón informó una mejora similar en la tasa de tau en datos recopilados de colisiones electrónicas con la misma energía.
"Un amigo que trabajaba en otro experimento estaba seguro de que habíamos hecho algo mal", dice Lüth. "Entonces observaron el mismo efecto".
En 2015, los científicos que trabajan en el experimento LHCb que opera en el CERN vieron signos del mismo fenómeno en muestras muy grandes de colisiones de protones y protones a una energía mucho más alta y tasas de colisión.
"Todos estos resultados apuntan en la misma dirección", dice Hassan Jawahery, profesor de la Universidad de Maryland que trabaja en LHCb. "Eso es lo que desconcierta a todos".
Por sí solos, estos resultados individuales tienen un significado por debajo del nivel que levantaría una ceja. Pero, en conjunto, son "intrigantes", según Tom Browder, el portavoz del experimento Belle y su sucesor, Belle II. "Estamos bastante seguros de que hay algo nuevo por ahí. Probar incluso una pequeña desviación del Modelo Estándar podría conducir a una revolución en nuestro campo ".
Los resultados acumulados hasta ahora han inspirado a los teóricos a especular sobre qué tipo de nuevos procesos físicos podrían causar estas mejoras.
Algunas teorías sugieren que tal vez haya un bosón de Higgs cargado aún no descubierto que favorezca al tau pesado sobre el muón y el electrón mucho más livianos. Otros modelos predicen la existencia de al menos una nueva partícula fuera del Modelo Estándar. "Es posible que necesitemos algo que interactúe con quarks y leptones al mismo tiempo", dice Nardecchia.
Los científicos no sabrán lo que está sucediendo sin más estudios, y la recopilación de datos suficientes para permitir estudios más detallados y precisos será un paso crucial para descubrir.
Los científicos en el experimento LHCb están solo al comienzo de este estudio. Planean analizar alrededor de cuatro veces más eventos en los próximos años. Esperan completar mediciones nuevas y actualizadas para este verano. El programa complejo acelerador LHC prevé importantes actualizaciones que ampliarán los conjuntos de datos de los experimentos durante la próxima década. En paralelo, Belle II está programado para comenzar a recopilar datos en 2019 y se espera que registre lo suficiente como para arrojar luz sobre esta consulta en unos pocos años.
Los Físicos de todo el mundo esperan ansiosamente para comparar notas.
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