Partículas que violan las leyes físicas indican otra fuerza

Partículas quebrantadoras de las leyes pueden apuntar a una fuerza previamente desconocida en el universo Un diagrama de dos protones que chocan dentro del experimento LHCb. Crédito: CERN Por Jesse Dunietz, para Scientific American | 24 de julio de 2017 Durante décadas, los físicos han buscado signos de partículas que se portan mal - evidencia de sutiles grietas en el "Modelo Estándar" de la física de partículas, la teoría dominante que describe los bloques fundamentales de nuestro universo. Aunque el Modelo Estándar ha demostrado ser muy preciso, los científicos han sabido que se necesitarán algunos ajustes. Ahora, como un reciente documento de revisión en documentos de Nature, los experimentadores han empezado a ver sugerencias de partículas que se burlan de la teoría, pero no son precisamente las teorías de violaciones que buscaban. La evidencia proviene de electrones y sus primos masivos, muones y leptones tau. De acuerdo con el Modelo Estándar, estas tres partículas deben comportarse como trillizos de tamaño diferente pero por lo demás idénticos. Pero tres experimentos han producido evidencias crecientes -incluyendo resultados anunciados en los últimos meses -- de que las partículas reaccionan de manera diferente a alguna influencia misteriosa. Los hallazgos aún no son concluyentes, pero si se sostienen, "sería una revolución completa", dice el teórico del Instituto de Tecnología de California, Mark Wise. Señales tentadoras Una sacudida en el modelo estándar sería enorme. Esta teoría ha formado la piedra angular de la investigación de la física de partículas ya que se desarrolló a finales del siglo XX. Carve el universo en doce partículas elementales que componen toda la materia, más las partículas "fuerza-portadora" que transmiten las fuerzas fundamentales de la naturaleza. (Por ejemplo, las partículas ejercen fuerzas eléctricas o magnéticas mediante el intercambio de fotones transitorios.) A pesar de sus éxitos, sin embargo, el Modelo Estándar no predice nada que pueda explicar la gravedad o la materia oscura pensada para habitar invisiblemente el espacio. Para casar la física de partículas con estas observaciones a gran escala, los teóricos han propuesto toda clase de "nueva física" - materia o fuerzas más allá del zoológico del Modelo Estándar. Pero la mayoría de los experimentos han apoyado obstinadamente la teoría con una fidelidad impresionante, no encontrando evidencia de las partículas o fuerzas hipotéticas. Desde el 2012, sin embargo, los signos de mal comportamiento de las partículas han comenzado a salir de una esquina menos explorada del Modelo Estándar: un patrón llamado "universalidad del lepton". Aquí "lepton" se refiere a la clase de partículas, incluyendo electrones, muones y taus. El Modelo Estándar predice que estas tres especies deben comunicarse entre sí y con otras partículas exactamente de la misma manera, a excepción de las diferencias atribuibles a sus masas únicas - un comportamiento común que explica el segundo término en la universalidad del lepton. La primera sorpresa de lepton apareció en los resultados anunciados en 2012 del experimento BaBar en el Laboratorio Nacional de Aceleración de SLAC en Menlo Park, California. El acelerador de partículas de BaBar conectó electrones y sus equivalentes de antimateria, conocidos como positrones. Las colisiones produjeron muchas partículas compuestas que eran pesadas pero inestables: actuaban como átomos de uranio absurdamente radiactivos, durando sólo fracciones de un nanosegundo antes de descomponerse en partículas cada vez más pequeñas. Los productos finales arrojados en los detectores del acelerador, lo que permite a los científicos para reconstruir la cadena de decadencia de partículas. Si el Modelo Estándar tiene razón, dos de los tipos de decaimiento examinados por el equipo de BaBar deberían producir sólo entre el 25 y el 30 por ciento con la frecuencia de los electrones, que son más ligeros y por lo tanto más fáciles de fabricar. Pero eso no es lo que vio el equipo. Taus eran mucho más comunes de lo que deberían haber sido, haciendo alusión a una diferencia entre taus y electrones más allá de sus masas. El resultado de BaBar fue sólo el comienzo. Otros dos experimentos, el experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones en Suiza y el experimento Belle en la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía en Japón, estudiaron los mismos decaimientos y publicaron resultados similares en 2015. Belle, como BaBar, choca electrones y positrones. Pero LHCb colisiona protones con otros protones a energías mucho más altas, y utiliza diferentes métodos para detectar los productos. Esas diferencias hacen más difícil agitar los resultados como errores experimentales, reforzando la perspectiva de que la anomalía es real. Además, LHCb también ha encontrado signos de violación de la universalidad del lepton en otro tipo de decadencia productora de lepton, y hace varios meses anunció posibles desviaciones en un cuarto tipo de decaimiento. El mes pasado reportó una disparidad similar entre electrones y muones (en lugar de taus) en un decaimiento relacionado. Todas estas líneas convergentes de evidencia hacen un caso cada vez más convincente de que algo es sistemáticamente sospechoso. "Si (las desviaciones) resultan ser reales", dice el portavoz de BaBar y el profesor de la Universidad de Victoria, Michael Roney, "sería algo extraño si no estuvieran relacionados". Una revolución -- que si es real Si los diversos leptones realmente se comportan de manera diferente, la única explicación sería alguna fuerza previamente no reconocida. Bajo el Modelo Estándar, las partículas más grandes se descomponen en leptones (y otros productos) a través de la "fuerza débil", la misma fuerza que causa la desintegración radiactiva. Pero la fuerza débil trata a todos los leptones igualmente. Si más taus están saliendo de lo que la fuerza débil debe producir, entonces alguna fuerza desconocida, asociada con alguna partícula de fuerza transportadora no descubierta, debe descomponer las partículas más grandes de una manera que favorezca taus. Encontrar tal fuerza sería tan fundamental como el descubrimiento del electromagnetismo, aunque con mucho menos efecto en nuestra vida cotidiana. "Realmente constituye, con poca exageración, una revolución en la física", dice Hassan Jawahery, de la Universidad de Maryland, College Park, físico y miembro de la colaboración de LHCb. Debido a que las implicaciones serían tan dramáticas, los físicos exigirán evidencia abrumadora - una carga que los experimentadores conocen bien. Greg Ciezarek, autor principal de la revista Nature y investigador postdoctoral en el Instituto Nacional Nikhef de Física Subatómica de Amsterdam, dice que las violaciones de la universalidad del lepton "estarían en el territorio de hacer reclamaciones extraordinarias", lo que requiere un testimonio extraordinario. Roney resume el escepticismo: "No apuestas contra el Modelo Estándar". La evidencia hasta la fecha no es insustancial. Combinando todos los datos, la probabilidad de que las desviaciones tau / electrón sean sólo estadísticamente flukes (eventos afortunados) ahora se sitúa en alrededor de uno de cada 10.000. Para cualquier pregunta cotidiana, eso sería más que suficiente. Pero los físicos de partículas son un grupo escéptico; La comunidad no considerará que se haya confirmado un descubrimiento hasta que haya una probabilidad de una de cada 3,5 millones de falsas alarmas. Como algunos científicos "cronológicamente más avanzados" pueden atestiguar, han sido quemados antes, dice Zoltan Ligeti, profesor de física teórica en Lawrence Berkeley National Laboratory. "Hemos visto fluctuaciones similares en el pasado que han ido y venido". La evidencia es aún más difícil de tragar dado cuán lejos la universalidad del lepton es de las expectativas de los teóricos de donde podrían aparecer grietas en el Modelo Estándar. "Hay una especie de historia que los teóricos dicen", dice Wise, y "esto no está en la línea de la historia". Lo que es peor, las explicaciones propuestas para el comportamiento de los leptones parecen ad hoc e insatisfactorias. "El tipo de modelos que pueden adaptarse a las ... anomalías realmente no hacen nada más a primera vista", dice Ligeti. "Por ejemplo, no te acercan a entender lo que podría ser la materia oscura". Sin embargo, añade, "la naturaleza nos dice cómo es la naturaleza". Los físicos toman cada vez más nota de la persistencia de las violaciones y proponen nuevas explicaciones teóricas. Experimentalistas y teóricos por igual están también buscando reducir las incertidumbres de las mediciones existentes. En última instancia, las mayores revelaciones vendrán cuando LHCb y la próxima versión de Belle produzcan más datos. Los físicos son optimistas de que dentro de unos cinco años no sólo sabremos si el efecto es real, tendremos una explicación para ello. "Si hay una nueva partícula (portadora de fuerza)", dijo Svjetlana Fajfer, teórico de la Universidad de Ljubljana en Eslovenia, "debería tener una masa al alcance del LHC", lo que significa que el colisionador debería ser capaz de producir E identificar tal partícula. Para algunos teóricos, esa comprobabilidad es un gran atractivo. "Eso lo hace realmente emocionante, porque si hago algo, se puede probar bien o mal", dice Ligeti. "De una manera u otra, el caso se hará claro". 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