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» » Hallando los límites de esas pequeñas y extrañas partículas

Referencia: LiveScience.com .
por Jesse Emspak, 7 de febrero 2014

La medición más precisa hasta ahora de la propiedad fundamental de los quarks, uno de los componentes básicos de la materia, trae a los científicos más cerca de encontrar nuevas partículas exóticas.

El nuevo estudio, que ha revisado un experimento de hace décadas, podría ayudar a los científicos a encontrar una teoría más allá de una de los más conocidas de la física: el Modelo Estándar.

En el National Accelerator Laboratory Thomas Jefferson, del Departamento de Energía de EE.UU., los científicos dispararon un haz de electrones en un átomo de deuterio, o hidrógeno pesado, que consiste en un protón y un neutrón. Miraron la forma en que los electrones se dispersaban después de golpear el núcleo del átomo, y usaron ese patrón para intentar averiguar más acerca de los quarks, los cuales componen a los protones y los neutrones. El experimento es similar a uno realizado a finales de 1970, que ayudó a confirmar que el modelo estándar explica satisfactoriamente el comportamiento de las diminutas partículas. Este trabajo aparece en la edición del 6 de febrero de la revista Nature.

 "Queremos ver algunas desviaciones del Modelo Estándar", dijo el coautor del estudio Xiachao Zheng, profesor asociado en la Universidad de Virginia. "Para ver si hay una extensión al Modelo Estándar, que tal vez añada cosas nuevas al electrón."

Modelo estándar: ¿Qué falta?

El pilar de la física de partículas, desde la década de 1970, el Modelo Estándar, ha predicho con éxito la existencia de partículas elementales como el bosón de Higgs, que ha demostrado que existe un campo de Higgs y le asigna masa a algunas partículas. Sin embargo, pese a su robustez, dicho Modelo no está necesariamente completo.

Por ejemplo, el modelo no puede explicar algunos de los misterios de las partículas elementales llamadas quarks (que forman los protones y neutrones dentro de los átomos) ni los leptones (el grupo que incluye a los electrones, muones y neutrinos).

"¿Por qué son tan diferentes las masas de los quarks? El Modelo Estándar no dice nada acerca de por qué un muón es mucho más pesado que un electrón. ¿Por qué hay tres familias de quarks y leptones? Nosotros, simplemente, no tenemos las respuestas", escribe Charles Prescott, profesor emérito de Stanford que participó en los primeros experimentos en la década de 1970. Él mismo desarrolló experimentos con haces de electrones en el Jefferson Lab que permitieron buscar efectos sutiles que podrían insinuar una nueva física y ayudaran a dar más solidez al Modelo Estándar.

Buscando la nueva física

Los físicos de partículas a menudo utilizan electrones para "ver" el interior de los átomos. Al ser menos masivos, pueden ser disparados con menos energía que los protones, y como los electrones en un haz se mueven más rápido pueden determinar estructuras más pequeñas. En el experimento del Laboratorio Jefferson, los investigadores impulsaron a la mitad de los electrones a girar en una dirección, y la otra mitad en otra. Cuando los electrones alcanzan el núcleo del átomo interactúan con los quarks que forman el protón y el neutrón dentro del deuterio, a través de la fuerza nuclear débil. Los electrones se mueven cercanos a la velocidad de la luz, con una energía de 6.067.000 millones de electrón-voltios, o GeV (gigaelectronvoltios) .

La fuerza nuclear débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales, junto con la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear fuerte. La fuerza nuclear débil, es transportada por partículas muy masivas llamadas bosones W y Z, y es la responsable de ciertos tipos de radiactividad. Cuando los electrones que giran en direcciones opuestas se dispararon a los núcleos, los bosones Z se vincularon a los quarks en los protones y los neutrones, en un proceso llamado acoplamiento. Después, los electrones zurdos y diestros no se dispersaron de la misma manera. Esta asimetría se llama violación de la paridad.

En 1978, científicos del National Accelerator Laboratory SLAC en Menlo Park, California, dispararon un haz de electrones a un núcleo atómico que confirmar que existía el bosón Z. En ese tiempo, ellos querían ver si la violación de paridad ocurria siempre, eso sería la prueba del bosón Z. (El bosón ZZ se observó directamente después, en CEN en 1983).

En el último experimento, los investigadores encontraron la misma violación de paridad. Sin embargo, los científicos fueron capaces de medirla de forma más precisa. Descubrieron exactamente cuánta asimetría proviene de los quarks y cuánta de los electrones.

"En el experimento original de SLAC no pudieron separar los quarks y electrones", apuntilló Zheng. "Ahora podemos separar la contribución de la violación de paridad de cada uno."

Esa precisión adicional pone los límites donde probablemente se encuentre esa nueva física, de igual manera que los experimentos de los grandes aceleradores de partículas ponen límites en donde se podría encontrar el bosón de Higgs, o sea, la cantidad de energía necesaria para que aparezca. (Los físicos acabaron por encontrar el bosón de Higgs en una masa de alrededor de 125 GeV.)

Los últimos hallazgos revelan la cantidad de energía que se necesita para encontrar nuevos tipos de interacciones de partículas. El resultado tiene dos límites: 5,8 billones de electrónvoltios (TeV) y de 4,6 TeV. Si las nuevas interacciones aumentan las contribuciones de los quarks a la asimetría, entonces podrán verse por encima de 5,8 TeV. Si disminuyen la contribución de los quark, estará por encima de 4.6 TeV. Estas energías están al alcance del Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

El Laboratorio Jefferson, por su parte, debido a una actualización, puede llegar a energías de 12 GeV. Eso podría ofrecer nuevas posibilidades de experimentación en las instalaciones de Newport News, Virginia.

"Queremos extender estos experimentos", dijo Zheng, "para incrementar la precisión mediante otro factor de cinco o diez. "Eso sería reducir aún más las áreas donde hallar la nueva física.


- Artículo original: ”Hark, Quarks! Strange Tiny Particles Loom Large in New Study”
- Imagen: ilustración en escala del átomo.
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