Big Bang

Hace pocos días ha salido a la luz unos resultados experimentales de dos grupos de investigación del Fermilab (DZero y CDF). Estos resultados han obtenido cierta relevancia en internet, apareciendo en algunos blogs. Algunos de ellos son los siguientes:

http://francisthemulenews.wordpress.com/2011/07/01/confirmada-a-4-sigma-la-asimetria-cp-en-los-mesones-bs-neutros-tras-analizar-9-fb-de-colisiones-en-dzero-del-tevatron-en-el-fermilab/

http://ultima-hora.bichotoblog.com/confirmada-a-4-sigma-la-asimetria-cp-en-los-mesones-bs-neutros-tras-analizar-9-fb-de-colisiones-en-dzero.html

http://resonaances.blogspot.com/2011/07/d0-4-sigma-like-sign-dimuon-anomaly.html

Imagen aérea Fermilab
Imagen del LHC (large hadron collider) cerca de Ginebra

Todos ellos basados en estos resultados experimentales hechos públicos hasta la fecha:

http://arxiv.org/pdf/1106.6308v1
http://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/WWW/results/final/B/B11B/BruceHoeneisen_WineCheese30June2011.pdf

También han surgido algunas críticas en cuanto al lenguaje empleado en estos artículos que ciertamente no eran dirigidos a neofitos en la materia. Muchos de ellos eran simples copias/traducciones de las publicaciones de estos científicos.

En el siguiente artículo trataré de explicar lo que se comenta en alguno de estos artículos y su importancia relativa. Para ello empezaré copiando parte del artículo de francisthemulenews.wordpress.com para intentar ir explicando lo que se dice aquí y su significado:

El modelo estándar de las partículas elementales predice un valor de −0,028 ± 0,005 pero el experimento DZero del Tevatrón en el Fermilab ha obtenido un valor de −0,787 ± 0,172 (stat) ± 0,093 (syst), que difieren en 3,9 σ (desviaciones estándares), es decir, con una confianza estadística del 99,99%. Casi un descubrimiento definitivo (que requiere 5 σ), este resultado indica que la violación de la simetría CP en la física de los mesones Bs neutros, formados por un par quark-antiquark de tipo bottom (b) y extraño (s), es mucho mayor de lo predicho por el modelo estándar. Aún no se conoce el origen de esta asimetría CP y por qué solo parece actuar sobre los mesones Bs, pero dicha fuente podría ser la responsable de la asimetría entre materia y antimateria en el universo temprano. En1964, los físicos Christenson, Cronin, Fitch, y Turlay descubrieron una asimetría CP similar en los mesones K neutros, compuestos de un par quark-antiquark strange (s) y down (d), pero dicha asimetría es más débil de lo necesario para explicar la asimetría observada en el universo entre materia y antimateria, lo que sugiere que debe haber otras asimetrías CP adicionales y la nueva asimetría en mesones Bs podría ser la respuesta. Os recuerdo que la asimetría CP indica que el mesón Bs formado por un quark b y un antiquark s se desintegra de forma diferente al formado por un quark s y un antiquark b. Los dos experimentos del Tevatrón, CDF y DZero, han observado esta anomalía. Seguramente durante este verano se publicarán resultados sobre ella en los experimentos del LHC del CERN, en concreto ATLAS, CMS y sobre todo LHCb; para finales de este año sabremos de forma definitiva si esta anomalía existe. Muchos creen que el primer gran resultado científico del LHC del CERN será la confirmación de esta anomalía y de que tiene la magnitud suficiente para explicar la asimetría entre materia y antimateria en el universo. Los interesados en detalles técnicos pueden consultar el artículo técnico DZero Collaboration, “Measurement of the anomalous like-sign dimuon charge asymmetry with 9 fb^-1 of p pbar collisions,” ArXiv, 30 Jun 2011 [todas las figuras del estudio]. También recomiendo consultar la charla de Bruce Hoeneisen, “Measurement of the anomalous like-sign dimuon charge asymmetry with 9 /fb of p-pbar collisions,” Fermilab Wine & Cheese, 30 June 2011.

Pues bien, para comenzar por el principio necesitamos saber que es eso del “modelo estándar de las partículas elementales“. Pues bien este modelo estándar de la física de partículas es una teoria que trata de explicar las interacciones que gobiernan las relaciones entre partículas elementales que componen toda la materia de nuestro universo. Esta teoría está basada en la teoría cuántica de campos y es consistente con la relatividad especial y la mecánica cuantica. Es una teoría no completa pues sólo tiene en cuenta 3 de las 4 interacciones fundamentales: la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Quedando excluida la gravitatoria.

Las interacciones nucleares tanto fuertes como debiles tienen un rango de actuación muy limitado. Confinados en regiones inferiores a las de un núcleo atómico (de ahí su nombre). La fuerza nuclear fuerte tiene un alcance inferior a 10^-15 metros (los neutrones y protones son sólo alrededor de 3 veces más grandes). Y la fuerza nuclear débil tiene un alcance de como mucho 10^-18 metros. Mil veces más pequeño que un núcleo atómico. Además esta fuerza es 10^13 veces más débil que la fuerza nuclear fuerte de ahí su nombre.

Por otro lado necesitamos conocer también cuales son las partículas elementales de este modelo. Podemos clasificar estas partículos en 2 grandes grupos: los bosones y los fermiones

Los bosones tienen las siguientes características:

– Tienen un momento angular intrínseco o espín entero (0,1,2,…)
– No cumplen el principio de exclusión de Pauli y siguen la estadística de Bose-Einstein
– La función de onda cuántica que describe sistemas de bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas

La segunda y tercera característica son consecuencia de la primera.

Existen bosones compuestos como el pión, el núcleo de deuterio, los núcleos de helio-4 (partículas alfa) o en definitiva cualquier núcleo de espín entero. Los bosones simples serían: los fotones (responsables de la interacción electromagnética), los bosones W y Z (responsables de la interacción débil), los gluones (responsables de la interacción fuerte), el bosón de Higgs (teórico) y los bosones X (teóricos)

Son este tipo de pártículas las mediadoras en las interacciones fundamentales. Un bosón virtual interacciona con fermiones reales dando lugar a dichas interacciones o fuerzas fundamentales.

Los fermiones es el otro tipo de partícula sus caracteristicas principales son:

– Tienen un espín semientero (1/2,3/2,…)
– Cumplén el principio de exclusión de Pauli y siguen las estadísticas de Fermi-Dirac
– Tienen funciones de onda antisimétricas

Una partícula compuesta, formada por varias elementales, será un fermión o un bosón dependiendo sólo del número de fermiones que contenga. Si tiene un número par de fermiones será un bosón y si contiene un número impar será un fermión.

Las partículas elementales que son fermiones serán los quark (sufren la interacción nuclear fuerte) y los leptones (electrones, muones, taones y los 3 neutrinos de cada uno de los anteriores). Los leptones no experimentan la interacción fuerte.

Los quarks por su parte se presentan en 6 sabores diferentes (arriba (up), abajo (down), cima (top), fondo (bottom), encanto (charm) y extraño (strange))) y nunca se encuentran aislados en la naturales sino siempre formando agrupaciones llamadas hadrones. Una agrupación de 2 quarks es conocida como mesón y una de 3 como bariones. Existen evidencias experimentales de que existen tetraquarks y pentaquarks (agrupaciones de 4 y 5 quarks respectivamente).

Los mesones estarían formados por quark y antiquark y dos ejemplos de este grupo de partículas serían los piones y los kaones. Este es el grupo de partículas que se mencionan en el artículo. Concretamente la de los mesones Bs neutros formados por un quark/antiquark fondo y un quark/antiquark extraño.

Los bariones por su parte están formados por agrupaciones de 3 quarks y pertenecen a este grupo los neutrones y los protones. Aunque existen multitud de ellos aunque son todos inestables.

He mencionado arriba la dicotomía particula/antipartícula, o quark-antiquark. Una particula se diferencia de su antipartícula exclusivamente en que tiene una carga de sentido contrario a esta.

Pues bien ya tenemos todos los ingredientes necesarios para entender lo que es el modelo estándar. Sólo nos falta saber algo sobre las reglas que determinan las interacciones permitidas entre las partículas elementales. Recordemos que existen 3 tipos de interacciones en el modelo estándar (electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil) y las partículas que, resumiendo, podemos dividir en bosones y fermiones.

Las interacción entre las partículas se pueden representar mediante lo que se conoce como diagramas de Feymann

Diagrama de Feymann mostrando la aniquilación de un electrón y un positrón produciendo quarks y gluones
Diagrama de Feymann mostrando la aniquilación de un electrón y un positrón produciendo quarks y gluones

Ahora sólo hay que ver que reglas siguen todas estas interacciones. Pues bien; las reglas principales para poder predecir que tipos de interacciones puede darse entre diferentes partículas no son más que las dictadas por las leyes de conservación que deben seguir todas estas interacciones. Por ejemplo una de ellas es la de la conservación de la carga. La carga debe permanecer igual en una interacción. Otra la conservación del espín. Existen multitud de ellas. Pero ¿De donde surgen estas leyes de conservación?

La matemática alemana Emmy Noether enunció un teorema que dice lo siguiente “Toda simetría lleva asociada un ley de conservación y viceversa”. Este teorema, llamado teorema de Noether, es quizás uno de los teoremas matemáticos más importantes jamás probados entre los que guían el desarrollo de la física moderna.

Ahora la pregunta queda reformulada de la siguiente manera ¿Cuales son las simetrías que existen en nuestro universo? (y que a su vez definirán las leyes de conservación que rigen las relaciones entre las partículas elementales)

Existen 3 tipos principales de simetrías:

La simetría C (carga) o simetría de carga: Las leyes de la física serían las mismas si se pudiesen intercambiar las partículas con carga positiva y las de carga negativa.

La simetría P (paridad) o simetría especular: El universo se comportaría igual que su imagen especular

La simetría T (tiempo) o simetría temporal: El universo se comportaría igual si invirtieramos el avance sobre el tiempo

Existen además combinaciones de estas simetrías. Por ejemplo la simetría CP sería la unión de la simetría C y la simetría P

La interacción nuclear fuerte, la gravedad y el electromagnetismo cumplen la simetría CP. Pero a mediados del siglo XX se descubrió que la interacción débil no cumple esta simetría. Como se menciona en el artículo esto fue en 1964 por los físicos Christenson, Cronin, Fitch, y Turlay. Esta interacción débil es la que se manifiesta en ciertas desintegraciones radiactivas.

Admitiendo la violación de esta simetría se puede explicar por qué en el universo existe más materia que antimateria.

El artículo trata precisamente de este tema. Tras estudiar un tipo de mesones Bs neutros formados por quark y antiquark bottom y strange se afirma que el efecto de la violación de simetría CP es mayor de lo esperado bajo las predicciones del modelo estadar además de que la interacción detectada puede implicar la existencia de una partícula desconocida y de un neutrino. Aunque el rango de certeza no es suficiente hasta la fecha para afirmarlo con rotundidad. Es posible que el LHC (Large Hadron Collider en Ginebra) pueda arrojar más luz sobre este descubrimiento.

Glosario de terminos empleado en el artículo (para entenderlo todavia mejor)

Tevatrón: acelerador de partículas circular del Fermilab Batavia, Illinois (Estados Unidos), es un sincrotrón que acelera protones y antiprotones hasta casi 1 TeV
D0 o DZero nombre experimento consistente en coloboración mundial de cientificos para descubir la naturaleza fundamental de la materia en Fermilab
CDF (collider detector at Fermilab) otro de los experimentos de colaboración dedicado al estudio de colisiones de partículas a altas energías
σ (desviacion estándar o desviación típica) medida de la centralización o dispersión en una dispersión de datos respecto al valor promedio. En una distribución normal
fm femtometro es igual a 10^-15 metros
b barn son unidades de area empleados para medirr la area eficaz en las colisiones entre partículas 1 barn = 10^-28 metros cuadrados y es igual aproximadamente al núcleo de un átomo de uránio.

Imagen del LHC (large hadron collider) cerca de Ginebra

Imagen Large Hadron Colider en el CERN
Imagen Large Hadron Colider en el CERN