El experimento LHCb en el CERN ha revelado una asimetría fundamental en el comportamiento de los bariones.
Durante las
Rencontres de Moriond en Italia, la colaboración
LHCb en el CERN anunció que se ha alcanzado un nuevo hito en nuestra comprensión de las diferencias sutiles, pero profundas, entre la materia y la antimateria.
En su
análisis de grandes cantidades de datos producidos por el Gran Colisionador de Hadrones (
LHC), el equipo internacional pudo demostrar de manera concluyente que las partículas llamadas bariones, que incluyen protones y neutrones que forman los núcleos atómicos, están sujetas a una asimetría especular en las leyes fundamentales de la naturaleza, lo que hace que la materia y la antimateria se comporten de manera diferente.
Este descubrimiento aporta nuevas pistas para explicar la disposición de las partículas elementales que componen la materia en el Modelo Estándar de la física de partículas, y entender por qué, al parecer, la materia prevaleció sobre la antimateria después del Big Bang.
Observada por primera vez en los años 60 en los mesones, partículas compuestas por un par quark-antiquark, la violación de la simetría carga-paridad (CP) ha sido objeto de numerosos estudios basados en experimentos con objetivos fijos o en colisionadores. Se esperaba que la otra gran categoría de partículas conocidas, los bariones, compuestos por tres quarks, también manifestaran este fenómeno, pero, hasta ahora, experimentos como LHCb solo habían observado indicios de este fenómeno en los bariones.
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Si ha tomado más tiempo observar la violación de CP en bariones que en mesones, es debido a la magnitud del fenómeno y al volumen de datos disponibles, explica Vincenzo Vagnoni, portavoz de la colaboración LHCb.
Necesitábamos una máquina como el LHC capaz de producir un número suficientemente grande de bariones de belleza y sus equivalentes en antimateria, y un experimento capaz de detectar sus productos de desintegración. Se necesitaron más de 80.000 desintegraciones de bariones para que pudiéramos observar por primera vez una asimetría materia-antimateria en esta categoría de partículas."
Vista del experimento LHCb en su caverna subterránea (imagen: CERN)
Se sabe que las partículas y sus equivalentes en antimateria tienen una masa idéntica y cargas opuestas. Sin embargo, cuando las partículas se desintegran en otras partículas, por ejemplo, cuando un núcleo atómico sufre una desintegración radiactiva, la violación de CP provoca una ruptura en esta simetría especular. Este efecto puede manifestarse como una diferencia en las tasas de desintegración en partículas más ligeras, dependiendo de si se observan las partículas o sus equivalentes en antimateria. Estas diferencias pueden detectarse mediante detectores y técnicas de análisis altamente sofisticados.
La colaboración LHCb observó la violación de CP en un barión más pesado y efímero que los protones y neutrones, el barión lambda Λ
b, compuesto por un quark up, un quark down y un quark belleza. Primero, el equipo analizó los datos recopilados por el detector LHCb durante el primer y segundo período de operación del LHC (2009-2013 y 2015-2018, respectivamente), buscando la desintegración del Λ
b en un protón, un kaón y un par de piones de carga opuesta, así como la desintegración de su equivalente en antimateria, el anti-Λ
b. Luego, contabilizó el número de desintegraciones observadas para cada una de estas partículas y calculó la diferencia.
El análisis mostró que la diferencia entre el número de desintegraciones de Λ
b y el de anti-Λ
b, dividida por la suma de ambas, se desvía de cero en un 2,45 %, con una incertidumbre de aproximadamente 0,47 %. Estadísticamente, el resultado se desvía de cero en 5,2 desviaciones estándar, superando el umbral requerido para afirmar la observación de la violación de CP en esta desintegración del barión.
Aunque desde hace tiempo se esperaba la existencia de violación de CP en bariones, las predicciones complejas del Modelo Estándar de la física de partículas aún no son lo suficientemente precisas para permitir una comparación exhaustiva entre la teoría y las mediciones realizadas por LHCb.
Sorprendentemente, el grado de violación de CP predicho por el Modelo Estándar es varios órdenes de magnitud menor que el necesario para explicar la asimetría materia-antimateria observada en el Universo. Esto sugiere que existen otras fuentes de violación de CP más allá de las predichas por el Modelo Estándar. La búsqueda de estas fuentes es un aspecto clave del programa de física del LHC y continuará en futuros colisionadores.
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Cuantos más sistemas en los que observemos violaciones de CP, más precisas serán las mediciones y más oportunidades tendremos para probar el Modelo Estándar y explorar la física más allá de él, explica Vincenzo Vagnoni.
La primera observación de violación de CP en una desintegración de bariones abre el camino a nuevas investigaciones teóricas y experimentales sobre la naturaleza de la violación de CP, estableciendo potencialmente nuevos límites para la física más allá del Modelo Estándar."
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Felicito a la colaboración LHCb por este brillante resultado.
Destaca una vez más el potencial científico del LHC y sus experimentos, ofreciendo una nueva herramienta para explorar la asimetría materia-antimateria en el Universo", declara Joachim Mnich, director de investigación e informática del CERN.
Fuente: CERN