No parece haber relacion especial entre el quark top y la fuerza nuclear debil
(NC&T) La medición, hecha por un estudiante y un profesor en la Universidad de Rochester, ha vertido nueva luz sobre los límites del modelo estándar de la física creado por la ciencia.
El estudiante de doctorado Ben Kilminster, y Kevin McFarland, profesor de física, usaron el acelerador de partículas en el Fermilab con el fin de llevar a cabo la primera medición nunca hecha antes para discernir con bastante precisión ciertas características de cómo el quark "top", la partícula más pesada de la física conocida, se desintegra. El trabajo ha sido presentado en la revista Physical Review D.
Los hallazgos sugieren que no hay ninguna conexión entre el quark top y la fuerza nuclear débil, una idea que ha sido atractiva debido a las energías similares e inusualmente elevadas del quark top y la partícula representante de las interacciones débiles, el bosón W, que se destaca del resto de las partículas conocidas. Un enlace entre el quark y el bosón habría sugerido con fuerza que el quark "top" mantiene un lugar especial en el mundo cuántico, quizás como una especie de "padre" de la fuerza débil, la responsable de todas las características de la materia conocida.
"Nadie ha hecho este tipo de medición tan precisa, y los hallazgos están añadiendo otro fragmento en nuestro conocimiento de cómo funciona el universo", comenta McFarland. La comunidad científica trata desesperadamente de entender por qué la fuerza débil es débil. Al principio del universo, ésta y la fuerza que es responsable de la luz, entre otras cosas, eran esencialmente una y la misma; pero ahora, la luz puede atravesar el cosmos, mientras que la fuerza débil ni siquiera puede atravesar un átomo. "Hemos llegado a muchas teorías acerca de por qué esto es así, pero estos hallazgos nuevos significan que muchas de esas teorías van a tener que ser descartadas", valora McFarland.
Para entender la conexión crítica entre el quark top y el bosón W de la fuerza débil, McFarland y Kilminster diseñaron una prueba para medir la paridad del quark top. La paridad es una propiedad de las partículas cuánticas que describe cómo actúan si se invierten sus direcciones en el espacio, como si se viesen en un espejo. Imagine lanzar una pelota de tenis a su antagonista. Lo lógico es que cuando su oponente golpee la pelota enviándola de nuevo hacia usted, y por tanto, invirtiendo su dirección, la pelota siga comportándose de manera normal. Algunas partículas, sin embargo, cambiarían sus propiedades cuando se "reflejaran". Sería como si la pelota de regreso ignorase la gravedad y pasara a través de su raqueta. Los físicos descubrieron, para su asombro, que la razón para esta falta de paridad es que la fuerza débil parece actuar solamente en partículas que tienen un cierto tipo de característica, llamada espín izquierdo.
Imagine de nuevo la pelota de tenis, volando por encima de la red, girando en un eje que apunta hacia su oponente, de modo que parece girar en el sentido de las agujas del reloj desde la posición de usted detrás de ésta. Si su oponente retorna la pelota perfectamente -como si se reflejara en un espejo- la dirección de la pelota se ha invertido, pero su giro de espín parecerá todavía moverse en el sentido de las agujas del reloj cuando vuele hacia usted. Si apuntase su dedo pulgar derecho en la dirección en que la pelota volaba cuando la golpeó por encima de la red, sus dedos se cerrarían, naturalmente, en el sentido de giro de las agujas del reloj. Cuando fue devuelta por su oponente, y usted apuntó su dedo pulgar izquierdo en su dirección de vuelo, sus dedos se cerrarían en el mismo sentido de las agujas del reloj, pero con su dedo pulgar apuntando hacia usted. Los científicos usan esto como un método rápido de etiquetar el espín de las partículas como "izquierdo" y "derecho." Por alguna razón que a los físicos no les resulta clara todavía, la fuerza débil sólo afecta las partículas "zurdas".
McFarland y Kilminster sabían que si podían demostrar que el muy pesado quark top era zurdo, entonces la fuerza débil actuaría probablemente en él de la misma manera en que lo hace con todos los otros quarks conocidos.
En la búsqueda para entender la naturaleza de la fuerza débil, los físicos han creado algunas teorías que enlazan las fuerzas débiles del sumamente pesado bosón W con el también muy pesado quark top. En esas teorías, el quark top tiene un lugar especial en el universo, incluyendo la posibilidad de que el universo esté lleno de pares de quarks top que crean una tensión de arrastre sobre otras partículas y les comunican una masa. Si el bosón W y el quark top estuviesen íntimamente relacionados, esto tendría ramificaciones en toda la física.
La medición de la dirección de giro del quark top nunca había sido realizada antes. Dado que no hay manera conocida de hacer la medición directamente sobre el quark, el equipo de Rochester decidió estudiar las partículas que surgen de la desintegración del quark top. Una de las funciones principales de la fuerza débil es desintegrar partículas más pesadas, como el quark top, en quarks más ligeros a partir de los que está hecho casi todo en el universo. En el acelerador del Fermilab, el equipo permitió que una sopa de quarks "top" se desintegrase en sus partículas más ligeras constituyentes. Esas partículas saldrían disparadas hacia afuera en ciertas direcciones, de acuerdo con su espín. Relacionar qué partículas vienen de los quarks top en las colisiones resultantes había sido siempre la dificultad principal para los físicos, pero Kilminster desarrolló un programa que seleccionó esencialmente todas las partículas que podrían haberse producido por una desintegración del quark top, y estadísticamente definir de qué quark top provenían.
Los resultados mostraron que la mayor parte del tiempo, la desintegración del quark irradiaba sus partículas resultantes en un patrón que sugiere fuertemente que la desintegración no es simétrica, y en consecuencia la fuerza débil interactúa probablemente con él en la misma manera básica que con todas las otras partículas. Las teorías basadas en la idea de que el quark top y la fuerza débil están fuertemente ligados en una manera única parecen ser muy improbables.
"Parece que el hecho de que el quark top y el bosón W tengan aproximadamente la misma masa puede ser sólo una coincidencia", valora McFarland. "Los modelos que descansan sobre un enlace entre los dos se vuelven menos y menos plausibles. Las teorías son realmente un último esfuerzo por hacer trabajar el fundamentalmente erróneo Modelo Estándar de la Física. Si estas teorías continúan siendo refutadas, vamos a tener que ir a un modelo completamente nuevo de cómo funciona el universo".
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