Científicos del CERN detectan un nuevo tipo de asimetría materia-antimateria
Los investigadores del experimento LHCb del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) han observado por primera vez una diferencia entre materia y antimateria conocida como ‘violación CP’ en las desintegraciones de una partícula llamada mesón D . El hallazgo, aunque resulte difícil de entender para el gran público, entrará a formar parte de los libros de texto sobre física de partículas.
La transformación de simetría CP cambia una partícula con la imagen especular de su antipartícula. La colaboración de LHCb ha observado la descomposición de esta simetría en las desintegraciones del mesón D (ilustrado por la esfera grande a la derecha) y su contraparte de antimateria, el anti-D (esfera grande a la izquierda), en otras partículas (esferas más pequeñas). El grado de la descomposición se dedujo de la diferencia en el número de desintegraciones en cada caso (barras verticales, solo para la ilustración). / CERN
La colaboración científica que opera el experimento LHCb, localizado cerca de Ginebra en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) y del que forman parte científicos españoles, ha detectado por primera vez el fenómeno conocido como ‘violación CP’ en las desintegraciones de la partícula denominada mesón D0 .
El descubrimiento se ha presentado este jueves en la conferencia anual de físicos de Moriond (Francia) y en un seminario en el CERN, que ha emitido un comunicando indicando que este avance entrará a formar parte de los libros de texto de la física de partículas.
Este descubrimiento es un hito en la historia de la física de partículas y entrará a formar parte de sus libros de texto
“El resultado es un hito en la historia de la física de partículas. Desde el descubrimiento del mesón D hace más de 40 años se sospechaba que la violación CP también ocurría en este sistema, pero solo ahora, usando el conjunto de datos recopilados por el experimento, la colaboración LHCb ha sido capaz de observar este efecto”, destaca el director de Investigación y Computación del CERN, Eckhard Elsen.
El término CP hace referencia a la transformación que cambia una partícula con la imagen especular de su antipartícula. La interacción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza descritas en el modelo estándar de física de partículas, produce una diferencia en el comportamiento de algunas partículas y de sus equivalentes de antimateria, diferencia que se conoce como violación CP.
El efecto fue observado por primera vez en los años 60 en el laboratorio de Brookhaven (EE.UU.) en partículas conocidas como mesones K, que contienen un quark strange (extraño). En 2001, los laboratorios SLAC (EE.UU.) y KEK (Japón) observaron también el fenómeno en mesones B neutros, que contienen un quark bottom (fondo). Estos hallazgos valieron dos premios Nobel en Física en 1980 y 2008, respectivamente.
La violación CP es una característica esencial en nuestro universo, necesaria para provocar el proceso que, tras el Big Bang, estableció la abundancia de materia sobre antimateria que observamos hoy día. El tipo de violación CP observada hasta ahora en las interacciones del modelo estándar, sin embargo, es demasiado pequeña para dar cuenta del desequilibrio actual entre materia y antimateria, lo que sugiere la existencia de fuentes de violación CP aún por descubrir.
Un mesón con un quark charm y un antiquark up
El mesón D está hecho de un quark charm (encanto) y un antiquark up (arriba). Hasta el momento, la violación CP había sido observada solo en partículas que contienen quarks strange o bottom. Los hallazgos llevados a cabo por el experimento LHCb han confirmado el patrón descrito en el modelo estándar por la llamada ‘matriz de mezcla de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)’, que describe cómo los diferentes tipos de quarks, los ‘ladrillos’ que componen la materia visible, se transforman unos en otros mediante la interacción débil.
El origen profundo de la matriz CKM, y la búsqueda de fuentes adicionales y nuevas manifestaciones de la violación CP, están entre las grandes cuestiones de la física de partículas. El descubrimiento de la violación CP en mesones D es la primera evidencia de esta asimetría en el quark charm, añadiendo nuevos elementos a la exploración de estas cuestiones.
Se trata de la primera observación del fenómeno conocido como ‘violación CP’ en las desintegraciones de una partícula denominada mesón D
Para observar esta asimetría CP, los investigadores del experimento LHCb usaron el conjunto completo de datos proporcionado por el gran colisionador de hadrones (LHC) entregados al experimento LHCb entre 2011 y 2018 para analizar las desintegraciones del mesón D y su antipartícula en kaones o piones.
“Buscar estos dos productos de las desintegraciones en nuestra muestra sin precedentes de partículas D nos permitió la sensibilidad requerida para medir la minúscula cantidad de violación CP esperada para este tipo de fenómenos. La magnitud del efecto se obtiene por la diferencia entre las desintegraciones de partículas D y anti-D ”, explica el portavoz de la colaboración LHCb, Giovanni Passaleva.
El resultado tiene una significancia estadística de 5,3 desviaciones estándar, lo que supera el umbral de 5 desviaciones estándar que se usa en física de partículas para proclamar un descubrimiento. Esta medida estimulará nuevos trabajos teóricos para evaluar su impacto en la descripción de la matriz CKM de la violación CP en el modelo estándar, y abrirá nuevas vías para buscar posibles nuevas fuentes de violación CP usando partículas ‘encantadas’ (con quarks charm).
En el experimento LHCb donde se ha realizado este descubrimiento histórico en física de partículas participa el Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE, Universidad de Santiago de Compostela), el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universidad de Valencia) y el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB).
