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EXPLORANDO NUEVAS ESCALAS DE ENERGÍA

Actualizado: 27 de dic de 2019

La ciencia es capaz de conseguir cosas absolutamente increíbles: a grandes escalas, es capaz de visualizar galaxias que se encuentran casi en el extremo del Universo visible, a pequeñas escalas, es capaz de detectar fenómenos físicos que suceden en longitudes 10.000 veces más pequeñas que el tamaño del núcleo atómico. Esto quiere decir que nuestra tecnología actual es capaz de sondear escalas desde 1026 m hasta 10-19 m. ¡ Esto son 45 órdenes de magnitud !

El LHC, el acelerador de partículas más potente jamás construido puede lograr colisiones entre protones de hasta 14 TeV (14x1012 electrón-voltio). Estas enormes energías nos permiten sondear distancias de hasta 10-19 m. Estas escalas son inconcebibles para el cerebro humano. 14 TeV es una energía enorme, sin embargo, puede ser insuficiente para detectar nuevas partículas y nuevos fenómenos físicos que podrían esconderse a energías mucho más altas. En este artículo vamos a explicar varios fenómenos físicos que podrían permitirnos realizar algo que parece imposible: sondear energías de hasta ¡ 2000 TeV ! Esto nos permitiría detectar distancias más allá del Zeptómetro, o sea, distancias por debajo de 10-21 m.


La desintegración de los mesones B y K

En el artículo posible nueva física en el LHC se explicó con bastante detalle la desintegración de los llamados mesones B y la física de los quarks. Resumiendo mucho la idea básica es la siguiente:

Los quarks son partículas fundamentales que se unen para formar los núcleos atómicos (formados por 3 quarks) y los mesones (formados por 2 quarks). Los quarks se clasifican en 6 sabores y 3 colores distintos. Los quarks u,c,t tienen carga eléctrica de 2/3 y los quarks d,s,b tienen carga -1/3. Según nuestra teoría sobre física de partículas denominada modelo estándar (SM) los quarks solo pueden cambiar de sabor intercambiando una partícula W (la "portadora" de la fuerza nuclear débil) pero esta

partícula tiene carga +/- 1 por lo que solo están permitidas las oscilaciones de los quarks u,c,t a los d,s,b o viceversa.








El mesón Bo está formado por un quark d y un quark (antiquark) b y se desintegra en un mesón Ko y un par muón-antimuón. Puesto el el nuevo mesón Ko está formado por un quark d y un quark s lo que ha sucedido realmente es que el quark b se ha transformado en un quark s. ¿Como es esto posible? La respuesta es que ha habido una doble oscilación: del b al t y luego del t al s. El SM predice que este proceso se producirá con una probabilidad X. Sin embargo, si existiesen nuevas partículas a una energía superior a la que hemos estudiado esta probabilidad cambiaría ya que estas

partículas podrían influir en el proceso de desintegración del mesón B. Comparando las predicciones del SM con el ratio de desintegración medido en el LHC podemos analizar la probabilidad de la existencia de estas nuevas partículas.






Además de la desintegración del mesón Bo también puede darse la del mesón Bd en la que un quark b se transforma en un d y la del mesón K en la que un quark s se transforma en un d.

Explorando nuevas escalas: Z´y el ZeptoUniverso

La desintegración de los mesones B y K son procesos extraordinarios ya que son sensibles a procesos físicos que pueden ocurrir a escalas mayores de las que podemos explorar directamente en el LHC. Por ejemplo, imaginar una nueva partícula X, con una masa fuera del alcance del LHC que no tiene carga eléctrica pero si carga de sabor. Si esta partícula existiese, un quark b de un mesón B puede "oscilar" directamente a un quark s (algo prohibido en el SM), por tanto, el ratio de desintegración de mesones B diferiría del predicho por el SM.

Resulta que la existencia de esta hipotética partícula es una predicción de un gran número de teorías que van más allá del SM y su existencia constituye la ampliación más sencilla y natural del SM. Esta partícula se denomina Z' porque es un bosón neutro como el bosón Z. Esta partícula Z' se caracteriza por 3 parámetros: la constante de acoplamiento, la helicidad de la constante de acoplamiento y la masa. La energía máxima que podremos llegar a sondear dependerá del valor de estos 3 parámetros y de

la exactitud con la que conozcamos los parámetros del SM con los cuales realizamos los cálculos.

A mayor constante de acoplamiento mayores efectos del Z' sobre el ratio de desintegración y por tanto mayores desviaciones respecto del SM. A mayor masa del Z´ menor posibilidad de detectar sus efectos y por tanto menores discrepancias respecto del SM. Lo que queremos saber es cual es la mayor escala de energía que podremos llegar a explorar. Para ello haremos 3 asumpciones: 1º) Tomaremos la mayor constante de acoplamiento del Z´que es teóricamente posible. 2º) Tendremos en cuenta las mejoras estimadas en la precisión con la que se conocerán los parámetros del SM en los próximos años. 3º) Supondremos que los efectos de la nueva física están entre el 10% y el 30% de la contribución del SM.










Con estas asumpciones calcularemos el mayor rango de energía posible que podremos, en teoría, explorar. Caben 2 posibilidades:


1º)Que la nueva partícula Z´ se acople solo a los fermiones de helicidad izquierda o derecha

Los fermiones (quarks y leptones) pueden ser de helicidad izquierda o derecha. Si la nueva partícula Z´ se acopla solo a los fermiones "left" o a los fermiones "right" entonces tendremos:

Desintegración   Max Energía Alcanzable Distancia equivalente

Mesón Bs                       15 TeV                                 10-20 m

Meson Bd                       30 TeV                           >> 10-20 m

Meson K                       200 TeV                                10-21 m

Es decir, en este caso podremos alcanzar energías de hasta 200 TeV.


2º)Que la nueva partícula Z' se acople tanto a fermiones de helicidad izquierda como derecha

Si la nueva partícula Z´es capaz de acoplarse tanto a los fermiones "left" como a los "right" tendremos:

Desintegración   Max Energía Alcanzable Distancia equivalente

Mesón Bs                       160 TeV                          <<10-21 m

Meson Bd                       160 TeV                        <<10-21 m

Meson K                       2000 TeV                           10-22 m

Aunque parezca imposible, este caso nos permitiría sondear energías de hasta 2000 TeV.


Conclusiones

En este artículo se muestra un hecho muy importante y sorprendente: existen fenómenos físicos poco usuales cuyo estudio nos puede mostrar (indirectamente) la existencia de nuevas partículas y fenómenos físicos más allá de lo que podemos detectar directamente en los aceleradores de partículas. Esto será muy importante para futuros aceleradores de partículas o futuras ampliaciones del LHC ya que puede

proveer indicios de la escala de energía a la que se esconde la nueva Física.

Aunque parezca imposible, si se dan ciertas condiciones óptimas, podemos incluso detectar los efectos de una nueva partícula Z´ con una masa de 2000 TeV/c2, mucho más allá de lo medible directamente en un futuro cercano.

Una vez más la ciencia nos demuestra lo que el ingenio humano es capaz de lograr cuando se unen la colaboración, la física, las matemáticas y la tecnología en pro del avance del conocimiento humano.


Fuentes: Can we reach the ZeptoUniverse with rare K and Bs,d decays?

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