¿Qué Propiedades de las Partículas Revelan la Naturaleza y Origen de la Materia y las Propiedades del Espacio y el Tiempo? Parte 2 de 2

En la década de 1950, se construyeron aceleradores de partículas con la energía suficiente para crear partículas de segunda generación para estudiar el comportamiento de las mismas en experimentos controlados. En 1962, usando haces de neutrinos de alta energía creados por los aceleradores fue descubierto el neutrino de segunda generación; un experimento en el Brookhaven National Laboratory demostró que los neutrinos creados junto con muones en el decaimiento de los mesones son distintos de los neutrinos de primera generación creados en el decaimiento de átomos radioactivos. El descubrimiento de la segunda generación se completó cuando se encontró evidencia para el charm quark en los aceleradores de partículas, comenzando con el descubrimiento de la partícula J/Ψ (La cual consiste de un charm quark y un anticharm quark) en noviembre de 1974 en SLAC y Brookhaven.

Los descubrimientos experimentales de tercera generación inician cuando el leptón tau es descubierto en 1975 en SLAC, y después el bottom quark en 1977 en el Fermilab y en Cornell. Una vez que se observaron el leptón tau y el bottom quark, comenzó la búsqueda por el top quark de tercera generación. Pero ¿Cuál sería su peso? Todo lo que se sabía era que el top quark debería ser más pesado que el bottom quark o que podría encontrarse en los niveles de energía ya explorados. El bottom quark pesa cerca de los 5GeV o cerca de cinco veces la masa del protón (El cual contiene tres de los quarks más ligeros).

A principios de la década de 1990, los experimentos proporcionaron un estimado indirecto de la masa del top quark. Aún si una partícula no es producida en la reacción, esta puede influenciarla a través de los efectos cuánticos. De acuerdo a la mecánica cuántica, las partículas y sus antipartículas pueden entrar y salir de la existencia en un parpadeo, de este modo se producen pequeños pero medibles efectos en las interacciones de las partículas. En esa época, la información de las propiedades de los bosones Z era lo suficientemente precisa para ser sensible a los efectos cuánticos debidos a los top quarks. Esto llevó a estimar que la masa del top quark era de 150 a 200 GeV. Para una masa fuera de este rango, las medidas podrían no encajar con las predicciones del Modelo Estándar.

Este rango de masa apenas estaba en el alcance del Tevatron y en 1995, el top quark fue descubierto en el Fermilab, con una medición de 174 GeV. El descubrimiento inicial se basó en solo unas cuantas docenas de eventos, en los cuales un top quark y un antiquark se produjeron y decayeron en otras partículas, incluyendo bottom quarks y leptones, en un patrón característico y esperado.

El completar la tercera generación requiere la confirmación de que ésta tiene su propio tipo de neutrino. Así, el neutrino producido en asociación con una partícula tau deberá hacer solo partículas tau cuando interaccione con partículas W. Esta confirmación se obtuvo en el Fermilab en el 2000. Con la observación del neutrino Tau, tres de las cuatro partículas de la tercera generación del Modelo Estándar han sido descubiertas en el Fermilab,

Observar los efectos de los neutrinos es difícil, pero un reto aún mayor para los físicos de partículas ha sido la detección y medición de las masas de los neutrinos. Esas masas aún no han sido determinadas con precisión, y aún son candidatas a ser pistas importantes acerca de la unificación de partículas. Hay varios enfoques para detectar las masas de los neutrinos, las más sensibles, de las cuales dependen múltiples tipos de neutrinos. Si los neutrinos tienen masa, entrará en juego un efecto de mecánica cuántica conocido como “neutrino oscillations”. Como un neutrino de un tipo viaja a través del espacio, este puede convertirse espontáneamente en otro tipo de neutrino. Por ejemplo, un neutrino muon puede convertirse espontáneamente en un neutrino tau o en un neutrino electrón. Después, puede revertirse a neutrino muon y esto es por la oscilación de los neutrinos. La probabilidad de la oscilación depende de las diferencias en las masas entre los neutrinos, y se necesitan grandes distancias para que esos cambios ocurran con una alta probabilidad.

Los neutrinos creados por el sol recorren 150 millones de kilómetros antes de llegar a la Tierra, lo cual les hace candidatos probables a someterse a oscilaciones. Comenzando con las primeras mediciones realizadas hace 40-50 años en Homestake Gold Mine en South Dakota, cada medición del número de neutrinos electrones procedentes del sol que alcanzaron la Tierra entregó un pequeño resultado inesperado. Las observaciones subsecuentes, de laboratorios en Japón y Canadá, encontraron anomalías similares en las propiedades de los neutrinos creados en la atmósfera de la Tierra por los rayos cósmicos, los formados por reactores nucleares, y los producidos en los aceleradores. Todas esas observaciones se interpretan en la actualidad en términos de masas y oscilaciones de neutrinos.

Cuando emergió la segunda generación emergió (Con el descubrimiento del muon en los rayos cósmicos), cayó del cielo sorprendiendo a todos. En contraste, la existencia de una tercera generación se sugirió por adelantado como una posible explicación a la denominada Violación CP.

Una de las predicciones sorprendentes de combinar mecánica cuántica con la relatividad especial es la existencia de la antimateria. La antimateria se descubrió en los rayos cósmicos como antielectrones (Positrones). El antiprotón fue el primero creado de forma artificial en uno de los primeros aceleradores de alta energía, el Lawrence Berkeley National Laboratory Bevatron. Para cada tipo de partícula, existe su correspondiente antipartícula con la misma masa y spin pero carga eléctrica opuesta. Cuando la partícula y la antipartícula coinciden, se pueden aniquilar y generar radiación. Las leyes de la física para la materia y la antimateria son similares, pero en el universo hay mucha materia y muy poca antimateria. La razón de esto aún es un misterio.

En 1964 se descubrió en Brookhaven que la materia y la antimateria se comportan ligeramente diferente. En ese experimento, los científicos prepararon un haz de partículas kaon de tal forma que una mitad fuera materia y la otra antimateria. Con un estudio meticuloso de las partículas, observaron que las partículas de materia se comportaban diferente que las de antimateria. Este descubrimiento fue una gran sorpresa, no solo porque violaba la supuesta equivalencia entre materia y antimateria sino porque esto sugirió una conexión entre la microfísica de partículas elementales y la cuestión macrofísica de la cantidad de antimateria en el universo. Esta pequeña pero fundamental asimetría en las leyes físicas entre materia y antimateria es la ya mencionada violación CP (Charge Parity – Paridad de cargas). Desde entonces, se han desarrollado diferentes experimentos en el Fermilab, y en 1999, el estudio del sistema kaon promovió y confirmó la presencia de la violación CP no solo en el comportamiento de los kaons sino en su decaimiento.

El universo primigenio se llenó con materia y antimateria, y la física moderna y la teoría cosmológica sugieren que ambas estaban igualmente representadas. Conforme el universo se fue enfriando, la materia y la antimateria se iban aniquilando una a la otra. Si las leyes de la naturaleza habían tenido una perfecta simetría entre la materia y la antimateria, el universo frío mantendría cantidades iguales de materia y antimateria, con lo cual habrían sido capaces de aniquilarse por completo, convirtiéndose en fotones. Para ese momento, las temperaturas “ordinarias” que se alcanzaron (En este contexto, un millón de grados Celsius puede considerarse suficientemente frío), habría hecho que la materia y antimateria desaparecieran, dejando solo fotones y materia oscura. Esto habría resultado en un universo demasiado aburrido.

En lugar de eso, el universo primigenio al parecer produjo un excedente de materia (comparado contra la antimateria). Así, después de que la antimateria se aniquilo con la cantidad necesaria de materia, quedó como remanente el excedente. El universo actual contiene más de un billón de fotones por cada protón, neutrón y electrón. En el universo completo, sin embargo, la materia que quedó es solo una traza o rastro, pero está condensado en regiones densas para formar galaxias, estrellas, planetas y otros cuerpos celestes.

En el Modelo Estándar, la violación CP no puede ocurrir en un mundo de dos generaciones, requiere una tercera generación. Con la tercera generación incluida, el Modelo Estándar lleva a una teoría elegante de violación CP. Para evaluar su efectividad se requieren experimentos con partículas de tercera generación, dado que los efectos de las violaciones CP son demasiado minúsculos para las dos primeras generaciones.

Esta entrada participa en la XXIX Edición del Carnaval de Física, alojado este mes en Zurditorium.

Referencias

Strange Particles – CA Randall

P615: Nuclear and Particle Physics – Niels Walet

CP Violation - I.I. Bigi & A. I. Sanda

The Standard Model: A Primer – C. P. Burgess and Guy D. Moor

Dynamics of the Standard Model – Donoghue

Elementary Particles and their interactions - Kim-Yem

Massive Neutrinos in Physics and Astrophysics – Mohapatra

Particle Physics beyond the Standard Model – D. Kasakov, S. Lavignac, J. Dalibard

The Quark-Gluon Plasma – Helmut Satz

2 comentarios

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