El pasado día 20 de Marzo de 2015, de forma totalmente inesperada, el equipo científico del proyecto LHCb hizo públicos unos resultados que podrían desembocar en uno de los mayores avances en física fundamental de los últimos tiempos. El detector LHCb, que forma parte de los detectores del LHC, está especializado en el estudio de un tipo de fenómenos que son muy sensibles a la existencia de posibles nuevas partículas aún no detectadas. Los físicos llevan mucho tiempo deseando observar nuevos fenómenos que no estén incluidos en la teoría que recoge todos los procesos que se conocen en física de partículas: el llamado "modelo estándar" (SM). Por esto, encontrar nuevos fenómenos fuera del SM sería una noticia de enorme importancia para la física fundamental. Los datos que el LHCb acaban de publicar pueden incluir la huella de nuevos procesos desconocidos, aunque aún es pronto para conocer su verdadero alcance, de hecho, caben hasta 4 posibilidades:
1º) Que la discrepancia encontrada entre los datos del LHCb y el SM se deba a fluctuaciones estadísticas o a errores sistemáticos.
2º) Que la discrepancia se deba a las incertidumbres existentes en los valores exactos de los parámetros del SM que hacen que sus predicciones sean, en este caso, muy complicadas de calcular.
3º) Que las discrepancias se deban a efectos de la QCD (efectos de la fuerza nuclear fuerte) desconocidos que no han sido tenidos en cuenta en el SM
4º) Que la discrepancia se deba a nuevos fenómenos físicos fuera del SM.
Excepto la 1ª posibilidad todas las demás aportarían nuevos conocimientos para la física siendo, claramente, la 4ª la más interesante. Por esto, los físicos consideran muy importantes los datos obtenidos. En este artículo describiremos paso a paso, para personas ajenas a estas cuestiones, los detalles físicos que se esconden en
este importante anuncio del equipo del LHCb.
La física de los quarks
Las partículas que forman los núcleos atómicos (protones y neutrones) no son fundamentales, sino que están compuestas de partículas más fundamentales: los quarks. Los quarks se clasifican en 6 sabores diferentes llamados u (up), d (down), c (charm), s (strange), t (top) y b (bottom) que se agrupan en 3 colores diferentes lo que se traduce en 18 quarks. Además cada quark tiene su quark correspondiente de carga contraria: el anti-quark, lo que al final nos da un total de 36 quarks:
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Los protones y los neutrones constan de 3 quarks mientras que las partículas llamadas mesones están formadas de un par quark-antiquark. Los 3 quarks superiores (u,c,t) tienen carga eléctrica de 2/3 y los 3 inferiores (d,s,b) tienen carga de -1/3:
La familiar fuerza electromagnética se produce por intercambio de fotones que es la partícula que intercambia energía y momento en las interacciones. La fuerza nuclear débil se produce por el intercambio de las partículas llamadas W y Z. La partícula W se presenta en 2 variedades: la W+ con carga eléctrica positiva y la W- con carga negativa. El intercambio de partículas W hace que los quarks cambien su sabor. La partícula Z es neutra eléctricamente y su intercambio no hace que los quarks cambien de sabor, solo intercambia energía y momento.
Como ejemplo, consideremos una de las desintegraciones más comunes: la desintegración B- (su contrapartida, la desintegración B+ es responsable del funcionamiento de todos los dispositivos TAC y PET de los hospitales). En este proceso, un neutrón de un átomo inestable se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico: n---p+ e- v'e. Lo que sucede en realidad es que el quark d del neutrón emite una partícula W- y se transforma en un quark u :
La desintegración del meson Bo
El detector LHCb está especialmente diseñado para estudiar la desintegración de un tipo especial de partícula: el mesón B (de ahí su nombre). La desintegración que analizaremos será la del meson Bo que sigue el siguiente proceso: Bo---Ko m+m-. El meson Bo está formado por un quark d y un antiquark b y se transforma en un meson Ko que está formado por un quark d y un antiquark s.Por tanto, lo que sucede es que el antiquark b se transforma en un antiquark s:
Aquí es donde las cosas se ponen interesantes: tanto el (anti) quark b como el s tienen carga +1/3, sin embargo, la partícula W, que es la única que puede producir un cambio de sabor, tiene carga +-1. Por tanto, dentro del SM un quark b no puede convertirse directamente en un quark s. Entonces, ¿como es posible esta desintegración?
La desintegración sería posible si el quark b cambiase de sabor 2 veces. Como el bosón W tiene carga +-1 el primer cambio tendría que ser hacia uno de los quarks de diferente carga (t,c,u) de forma que el segundo cambio convertiría uno de estos quarks en el quark s. Lo que sucede en realidad es que como el meson B procede de choques entre protones de altísima energía (7 TeV en el centro de masas) el quark b emite un boson W- y se convierte en el quark más masivo: el quark t, después, el quark t absorbe el boson W- que había emitido y se transforma finalmente en el quark s. Como hay una enorme cantidad de energía sobrante, en el proceso se emite un fotón (o una partícula Z) de alta energía que se desintegra en un par muón-antimuón. El esquema de la desintegración es el siguiente:
Todo esto está muy bien, pero ¿donde esta la posible nueva física? A continuación llegamos al punto más interesante.
¿Huellas de Nueva Física?
Los físicos del detector LHCb estudian este proceso porque, como hemos visto, dentro del SM un quark b no puede convertirse directamente en un quark s, sin embargo, en un gran número de teorías que amplían el SM con nuevas partículas y nuevos fenómenos físicos, este proceso sí sería posible. Los físicos han estudiado los ángulos en los que se desintegran todas las partículas del proceso y han comparado los resultados con las predicciones del SM. Lo que han encontrado es que, para un parámetro denominado C9, existe una discordancia de 3,7 sigmas. Hay muchos
modelos teóricos que podrían explicar esta discrepancia, sin embargo, uno de ellos destaca por su sencillez y naturalidad: la existencia de una nueva partícula muy masiva denominada Z'. La partícula Z' aparece en muchísimos modelos de física más allá del SM (supersimetría, dimensiones extra de kaluza-klein, GUTs, composites, leptoquarks,etc) y además, surge de forma natural en la extensión más sencilla posible del SM. El nuevo proceso de nueva física sería el siguiente:
La hipotética nueva partícula Z' sería eléctricamente neutra como la partícula Z pero, a diferencia de esta, la partícula Z' si tendría carga de sabor lo que permitiría que un quark b se transforme directamente en un quark s. Si esta partícula existiese, la desintegración del mesón Bo se produciría, en ciertos casos, de forma directa, lo que se traduciría en una modificación de los ángulos de desintegración de los muones y del resto de partículas. Pues bien, esto es exactamente lo que el equipo de LHCb ha detectado: una discrepancia de 3,7 sigmas entre los ángulos medidos y los ángulos predichos por el SM. Lo más interesante es que si se ajustan los cálculos teniendo en cuenta la contribución de una nueva partícula Z' ¡ la discrepancia prácticamente desaparece !
La detección de una nueva partícula que produce un proceso físico fuera del modelo estándar sería un enorme avance para la física fundamental, pero lo más interesante sería que esta nueva partícula formase parte de todo un nuevo modelo de nueva
física como la supersimetría, las teorías de gran unificación (GUTs) o los modelos de dimensiones ocultas de Kaluza-Klein.
Por supuesto, es muy pronto para descorchar el champán ya que es posible que esto solo sea una "falsa alarma", sin embargo, existen indicios de que esta vez, la huella de las nuevas leyes físicas ha dejado su firma en el detector LHCb. Sea como sea, el estudio de la desintegración del mesón Bo promete proporcionarnos nuevos conocimientos sobre como funciona nuestro Universo a escala fundamental.