martes, 1 de marzo de 2022

Un azar masivo y temporal - Veronika Chobanova

 Un azar masivo y temporal.







‘We have to remember that what we observe is not nature in itself but nature exposed to our method of questioning.’

‘Debemos recordar que lo que observamos no es la naturaleza en sí misma, sino la naturaleza expuesta a nuestro método de cuestionamiento.’

Werner Heisenberg.

 

¿Cuándo se considera una teoría demostrada? Pues, nunca realmente. Las teorías están basadas en experiencias anteriores e intentan describir observaciones experimentales. El éxito de una teoría se mide no solo por su habilidad para describir los hechos sino sobre todo por las predicciones que hace en medidas aún no realizadas. Estas predicciones pueden verse rechazadas por las medidas, lo que significa que la teoría no funciona bien. En el caso contrario, una vez una teoría ha pasado varias pruebas importantes, se puede considerar “aceptada” o “establecida”, pero nunca se puede considerar demostrada de verdad.

Así sucede también con la mecánica cuántica, la teoría que describe las propiedades y el comportamiento de los sistemas físicos, especialmente a nivel microscópico. Las predicciones de la mecánica cuántica se han verificado experimentalmente con un grado de precisión impresionante, convirtiéndola en una teoría ampliamente aceptada.

A continuación, hablaremos del mundo de las partículas subatómicas. Vamos a ver unos ejemplos de propiedades de partículas que surgen de su naturaleza cuántica. Hablaremos sobre todo de partículas que se producen en colisionadores de hadrones, como por ejemplo los protones, y de leptones, como por ejemplo los electrones.

Aquí cabe recordar cómo se producen dichas partículas, siendo Einstein el que propuso la equivalencia entre masa y energía con su famosa fórmula E=mc2. En los colisionadores, partículas cargadas y relativamente ligeras y abundantes en nuestro entorno, como por ejemplo los electrones o los protones, se aceleran en un campo electromagnético. Estas partículas alcanzan velocidades relativistas y con ello energías cinéticas enormes. Volviendo a la fórmula de Einstein, su energía se convierte en masa en la colisión. Así se producen nuevas partículas, incluso algunas con una masa superior a la de los electrones y protones.

 

La sección eficaz de colisión de electrones y positrones.

Como primer ejemplo, veamos qué obtenemos en una colisión entre electrones y positrones. Ya se lo adelanto: el azar. Más concretamente, no se puede predecir con seguridad qué va a suceder en una colisión determinada. Lo que sí podemos conocer, con una incertidumbre experimental por supuesto, es la probabilidad con la que se producirán unas partículas u otras. En la Figura 1 les muestro la sección eficaz de la colisión entre los electrones y sus antipartículas, los positrones, en función de la energía en el sistema centro de masa. La sección eficaz es una medida de la probabilidad de que se produzca un proceso específico en la interacción entre las dos partículas.

En este caso se trata de la probabilidad de producir hadrones, es decir, partículas compuestas por quarks, o el bosón Z. En una colisión de electrones y positrones es posible producir cualquier par quark-antiquark siempre y cuando lo permita la energía de la colisión, o sea, siempre y cuando las masas de los quarks no superen dicha energía. Los quarks, por su parte, forman hadrones que se observan en el laboratorio. No se puede predecir qué se va a producir en una cierta colisión. Lo que se conoce muy bien, en el caso de electrones y positrones, es la probabilidad de crear cada tipo de par quark-antiquark. Si registramos muchas colisiones, podremos predecir en qué proporción se producirá cada tipo de partícula. Este conocimiento es muy importante por varias razones, de algunas de las cuales volveremos a hablar.


Fig.1 Histograma de colisiones entre electrones y positrones [1].


Este histograma tiene dos características principales. Primero, hay picos en ciertas energías a los que llamamos resonancias. Estas resonancias son hadrones compuestos por un quark y su correspondiente antiquark. Por ejemplo, la resonancia J/ѱ contiene un quark y un antiquark encantado. Dado que la masa del J/ѱ está justo por encima del doble de la masa del quark encantado, se trata de la resonancia más ligera que contiene quarks de este tipo.

La segunda característica del histograma son los “escalones” que encontramos justo después de las resonancias. En estas regiones se pueden crear dos hadrones, cada uno de los cuales contiene un quark adicional a los que se pueden producir por debajo de dicha energía y un quark más ligero. Por ejemplo, después de ѱ(2S) se consiguen dos hadrones con un (anti-)quark encantado y un quark (anti-quark) arriba, abajo o extraño.

Este histograma recoge el saber de décadas de investigación desde los años 70 y grandes cantidades de datos de varios proyectos experimentales de todo el mundo, incluyendo aceleradores como ADONE (Italia), BEPC (China), DORIS y PETRA (Alemania), CESR, PEP y SPEAR (Estados Unidos), TRISTAN (Japón) y VEPP (Rusia), por nombrar algunos. El comportamiento de las secciones eficaces en función de la energía es una prueba en favor de la teoría establecida de la física de partículas, el Modelo Estándar, y en particular de nuestro conocimiento sobre la interacción débil. Por ilustrar esto con un ejemplo, a continuación, nos centraremos en medidas asociadas al bosón Z, la última partícula que puede apreciarse en este histograma.

 

El número de neutrinos “ligeros”.

El Modelo Estándar describe tres de las cuatro interacciones fundamentales conocidas entre las partículas elementales – la interacción fuerte, la interacción débil y la interacción electromagnética. El bosón Z es uno de los mediadores de la interacción débil, tal y como se muestra en el proceso ilustrado en el diagrama de Feynman de la Figura 2. En este caso, un electrón y un positrón se aniquilan para crear un bosón Z, el cual a su vez se desintegra produciendo un muon y un anti-muon.


Fig.2 Bosón Z. Quantum Diaries [2].


El bosón Z fue descubierto de manera indirecta en 1973 en la cámara de burbujas Gargamelle en el CERN, al observarse electrones que parecían moverse sin razón aparente. Esto se interpretó como una interacción de los electrones con neutrinos invisibles, en procesos como el mostrado en el diagrama de Feynman de la Figura 3.


Fig.3 Diagrama de Feynman mostrando la interpretación en el descubrimiento del bosón Z [3].


En estos dos casos, el bosón Z es una partícula virtual, lo que significa que existe durante un tiempo tan corto que no es posible observarlo y medir sus propiedades de forma directa. Pero como hemos visto en la primera figura, se han observado bosones Z reales también en el laboratorio. Esto sucedió por primera vez en el año 1983, de nuevo en el CERN, por los experimentos UA1 y UA2 situados en el Super Proton Synchrotron. Por este descubrimiento y por el del bosón W, el cual se descubrió en el mismo lugar y también es un mediador de la interacción débil, los físicos Carlo Rubbia y Simon van der Meer recibieron el premio Nobel en el año 1984.

Las propiedades del bosón Z se midieron con una precisión impresionante en el Large Electron-Positron collider (LEP), un acelerador de electrones y positrones en el CERN. El túnel de LEP, de una circunferencia de 27 kilómetros, se sigue usando hoy en día por el acelerador de partículas más grande y de mayor energía que existe, el Large Hadron Collider (LHC). LEP era el colisionador de leptones más poderoso del mundo de su época y lo sigue siendo hasta el día de hoy. Operó entre los años 1989 y 2000 y consiguió alcanzar una energía de 209 GeV. Uno de los objetivos principales de los cuatro experimentos de LEP, llamados ALEPH, DELPHI, OPAL y L3, era la medida de las propiedades del bosón Z, como por ejemplo su masa y su anchura de desintegración.

La anchura de desintegración, Γ, es una propiedad relacionada con la vida media, τ, de las partículas inestables como el bosón Z. Estas dos propiedades son inversamente proporcionales según el principio de incertidumbre energía-tiempo,

Γ = ℏ · λ = ℏ / τ.

La anchura se corresponde con la anchura a media altura del máximo de la curva de la sección eficaz de desintegración en función de la energía. Tener una anchura en la masa implica que una partícula no tiene una masa bien definida. Es decir, cada vez que una partícula se desintegra, la energía que emite es algo distinta e impredecible de manera exacta. Y aquí no se trata de una anchura que surge de la resolución del detector sino de una propiedad cuántica de las resonancias.

En el caso del bosón Z, la anchura nos da acceso indirecto a ciertas características muy interesantes del Modelo Estándar. En particular, al número de neutrinos ligeros, o sea, de los neutrinos más ligeros que la mitad de la masa del bosón Z.

En el Modelo Estándar hay tres generaciones de leptones cargados y, por lo tanto, uno esperaría que haya tres tipos distintos de neutrinos. El bosón Z se puede desintegrar de distintas maneras a pares de fermiones y anti-fermiones – quarks (todos menos el quark cima, que es más masivo que el Z), leptones cargados (electrones, muones, taus) y neutrinos. Si hay tres neutrinos más ligeros que el Z, uno esperaría que uno de cada cinco bosones Z se desintegre a un par neutrino anti-neutrino. Como los neutrinos no se pueden detectar directamente en los detectores de los que disponemos en los aceleradores, su número se infiere de manera indirecta. Esto equivale a medir la probabilidad de que el bosón Z se desintegre en hadrones, Figura 4.

Si hubiera menos de tres neutrinos, la probabilidad de desintegración del bosón Z a hadrones sería más alta que la que predice el Modelo Estándar. En el caso de dos neutrinos, los datos deberían coincidir con la línea roja superior. Y al revés, si hubiera más de tres neutrinos, la tasa de desintegración del bosón Z a hadrones sería más baja. En el caso de cuatro neutrinos, los datos deberían coincidir con la línea roja inferior. Los datos confirman las predicciones del Modelo Estándar y coinciden con la línea verde intermedia, la cual está de acuerdo con las observaciones de una manera impresionante.


Fig.4 Probabilidad de desintegración del bosón Z en hadrones [4].

 


El tiempo de desintegración.

Como ya hemos visto en la figura de las resonancias, hay partículas que tienen anchuras grandes y viven muy poco tiempo y otras que viven mucho más. Como en el caso de la masa, no se puede predecir cuánto tiempo va a vivir una partícula, pero sí cuánto vivirá cada tipo de partícula en promedio.

Hay varios aspectos que definen el tiempo de desintegración promedio. Uno de ellos es el tipo de interacción que da lugar a la desintegración. Por ejemplo, si comparamos la interacción débil y la interacción fuerte, la segunda implica tiempos de desintegración diez millones de veces más cortos. Otro factor es el espacio de fases, es decir, las posibilidades que tiene una partícula para desintegrarse. Si la diferencia entre la masa de la partícula y la suma de las masas de los productos de desintegración es grande, el estado final dispone de muchas posibilidades cinemáticas y los tiempos de desintegración se vuelven muy cortos. Por ejemplo, la partícula elemental más masiva que conocemos, el quark cima, tiene una masa tan grande que se desintegra antes de conseguir hadronizar, esto es, antes de formar hadrones con otros quarks. Gracias a ello, el quark cima nos permite estudiar un quark directamente y poner a prueba las interacciones fuerte y débil.

 

La física de sabor y las partículas que contienen un quark b.

El campo de la física que se dedica a estudiar los quarks y los leptones se llama física de sabor por los seis tipos (sabores) de quarks y leptones que conocemos. Es un campo muy activo hoy en día por las diversas posibilidades que presenta para acceder a física más allá del Modelo Estándar. A continuación, nos centraremos en hadrones que contienen un quark fondo.

El quark fondo (b, de beauty o bottom en inglés) se descubrió en 1977 por Fermilab y desde entonces ha dado lugar a un campo de investigación continuo que nos ha aportado descubrimientos esenciales. En 1987, el experimento ARGUS [5] descubrió que los mesones neutros B0, los que están compuestos por un antiquark b y un quark d, oscilan. Esto significa que los B0 se convierten en su antipartícula, el anti-B0 (y al revés) conforme pasa el tiempo. Esta propiedad de los mesones neutros surge de la interacción débil, tal y como mostramos en el siguiente diagrama de Feynman para el caso del mesón B0s.

  

Fig.5 Diagramas de Feynman mostrando la oscilación del mesón B0s .


El mesón B0s es un mesón neutro muy parecido al B0 con la única diferencia de que el quark d está sustituido por un quark extraño. Los mesones B0s y B0 oscilan de la misma manera. Sus quarks intercambian dos bosones W, mediadores de la interacción débil, y el quark anti-b se convierte en un b, mientras que el s se convierte en un anti-s, obteniendo de esta manera un anti-B0 a partir del B0 o un anti-B0s a partir del B0s. Hay que notar de que en este caso se producen también otras partículas virtuales, como por ejemplo un par quark-antiquark cima, arriba o abajo. Por ello, midiendo estas oscilaciones se puede acceder a las propiedades de las partículas virtuales, como por ejemplo su masa.

Antes de entrar en más detalle en las medidas de oscilaciones y su importancia, cabe notar que fueron justamente las oscilaciones de B0 medidas por ARGUS las que dieron los primeros indicios sobre la masa del quark más masivo, el quark cima. Para sorpresa de todos, resultó que el quark cima es mucho más masivo de lo que se esperaba. Para explicar las oscilaciones del B0, dicho quark tenía que tener una masa de 50 GeV como mínimo. Tuvo que pasar casi una década hasta que se descubrió el quark cima en Fermilab y, efectivamente, su masa resultó ser de unos 173 GeV.

Desde este descubrimiento y hasta hoy en día las medidas relacionadas con oscilaciones de mesones B neutros siguen siendo muy relevantes. El descubrimiento de ARGUS abrió la puerta a un nuevo tipo de experimentos, las llamadas fábricas de mesones B. Dos experimentos de este tipo fueron construidos en los años 1990 en colisionadores e+e-, Belle en Japón y BaBar en los Estados Unidos. Los dos estaban basados en tecnologías similares y operaban a la misma energía de colisión, 10.58 GeV, la masa de la resonancia Υ(4S).

La resonancia Υ(4S) decae en un mesón y un antimesón B neutros con una probabilidad de alrededor de un 50%. Por razones cuánticas, este par está en un estado coherente. Esto significa que en todo momento los dos mesones son de sabores opuestos, B y anti-B y nunca un B y un B o un anti-B y un anti-B, hasta que uno de los dos decae. A esta propiedad, el entrelazamiento cuántico, Einstein se refería como “spooky action at a distance” (acción espeluznante a distancia). Los dos mesones están en un estado común pero no intercambian información, no interaccionan. Aun así “saben” en qué estado está el otro y conservan el estado común hasta que la onda cuántica en la que existen los dos mesones se rompe.

Los mesones B tienen una amplia gama de canales de desintegración. Entre ellos, la desintegración del mesón B0 a dos mesones más ligeros, el J/ѱ y el K0S, tiene una gran importancia en el campo de la física de partículas. En este canal de desintegración, el Modelo Estándar predice una posible asimetría entre las tasas de desintegración en función del tiempo de los mesones B0 y los mesones anti-B0. Esta asimetría, llamada violación de la simetría CP (de charge-parity en inglés, o simetría de carga paridad), representa un papel importante en cosmología. La violación CP puede explicar, por ejemplo, por qué existe más materia que antimateria en el universo.

Se puede determinar la violación CP en el canal de desintegración B0→J/ѱ K0S midiendo por separado el tiempo de desintegración de los dos tipos de mesones y por eso es importante saber cuál de los dos se ha desintegrado. En esta medida, el entrelazamiento cuántico de los mesones producidos en las fábricas de mesones B juega un papel central. El estado final J/ѱ K0S es accesible tanto para un mesón B0 como para un anti-B0 y es aquí donde entra en juego el entrelazamiento cuántico – en el momento de la desintegración se sabe que el otro mesón B0 (llamado B-tag, del inglés “tag” de etiquetaje) tiene el sabor contrario. A partir de las desintegraciones del otro mesón B0 se puede determinar su sabor y, de este modo, deducir el sabor del mesón B0 de interés, que será el opuesto en este momento.

Los tiempos de desintegración de los B0 y los anti-B0 medidos por Belle se muestran en la figura. En azul puede verse el tiempo de desintegración de los B0 y en rojo el de los anti-B0. Lo que las fábricas de mesones B miden es el tiempo Δt = t – ttag entre la desintegración del mesón B0 de interés y el Btag. Como a veces el Btag decae primero y a veces decae segundo, la diferencia del tiempo Δt puede ser positiva o negativa. Además, el tiempo de desintegración es una función exponencial y como consecuencia de ello la distribución de Δt consiste de dos funciones exponenciales de espaldas y centradas en cero. La asimetría entre las dos distribuciones es muy clara. Este resultado confirma que en el Modelo Estándar hay una diferencia entre el comportamiento de los quarks y los antiquarks. Fue esta medida, junto con la de BaBar en el mismo canal de desintegración, la que condujo al premio Nobel de Física en 2008 para Makoto Kobayashi y Toshihilde Maskawa. Estos físicos japoneses predijeron la asimetría CP, la cual exige la existencia de por lo menos tres generaciones de quarks, ya en los años 1960, cuando aún se conocían solamente dos generaciones.


Fig.6 Tiempos de desintegración de los B0  y los anti-B0  medidos por Belle [6].


Además de Belle y BaBar hay también otros experimentos que se dedican a estudios de mesones B. Además de los experimentos de LEP, esto incluye tres experimentos del LHC – LHCb, ATLAS y CMS. Especialmente LHCb (de LHC Beauty) fue construido con el objetivo de realizar medidas de hadrones conteniendo un quark b o c. Siendo un experimento de colisiones de protones a una energía de múltiples TeV, el principio de funcionamiento de LHCb es muy distinto al de las fábricas de mesones B. Por un lado, los mesones B producidos en LHCb no están en pares coherentes, lo que hace más difícil la identificación del sabor del mesón B. Por otro lado, la sección eficaz de producción de mesones B es mucho más grande y con esto LHCb tiene un conjunto de datos mucho mayor que las fábricas de mesones B. Por último, los mesones B en LHCb se producen con una cantidad de movimiento muy superior, lo que significa que decaen después de recorrer una distancia significativa en el detector.  Esto es importante para medidas del tiempo de desintegración por razones de la resolución del detector. El tiempo se mide a partir de la distancia entre el punto de colisión de los protones y el punto de desintegración del mesón B. Cuanto más larga es esta distancia, más precisa es su medida.

La resolución temporal de LHCb es un orden de magnitud mejor que la de BaBar y Belle. Esto abre la posibilidad a medidas como la de las oscilaciones de los mesones B0s, que son un orden de magnitud más rápidas que las de los mesones B0. No fue hasta 2006 que se observaron las oscilaciones en B0s por el experimento CDF II de Fermilab, Estados Unidos [7], y las medidas relacionadas con dichas oscilaciones siguen siendo muy relevantes en la actualidad.


Fig.7 Distribuciones del tiempo de desintegración de B0s y anti-B0s medidos por LHCb [8].


Recientemente, LHCb hizo una medida muy precisa de la oscilación del B0s midiendo el tiempo de desintegración del canal B0s→D-s π+ [8]. Las distribuciones del tiempo de desintegración de B0s y anti-B0s están mostradas en la Figura 7. Con el tiempo, algunos B0s se convierten en anti-B0s y viceversa, y por eso la tasa de desintegración sigue una sinusoide. En principio, el tiempo de desintegración es una función exponencial, pero en este caso una gran parte de los mesones B0s de los instantes iniciales no quedan registrados debido a las grandes cantidades de fondo y las limitaciones asociadas del experimento.

De la misma manera que para las oscilaciones en B0, estudiar las oscilaciones del mesón B0s provee información sobre la posible existencia de nuevas partículas. Con respecto a esto, el último ejemplo del que me gustaría hablar es la medida del canal de desintegración B0s→J/ѱ K K. Esta medida es uno de los objetivos principales de LHCb y el Instituto de Física de Áltas Enerxías (IGFAE) y la Universidad de Santiago de Compostela (USC) juegan un papel central en ella [9]. Como hemos visto en el caso del mesón B0, sus oscilaciones nos mostraron la existencia de una partícula que no se conocía hasta aquel momento, el quark cima. Por la misma razón, para acceder a partículas que aún no conocemos, medimos la violación CP en B0s→J/ѱ K K, la cual nos da acceso al contenido de la oscilación, es decir, a las partículas que participan en la oscilación mostrada en el diagrama de Feynman.

Hay varias medidas que muestran que el Modelo Estándar es incompleto y varias teorías predicen la existencia de partículas más allá de él. Estas partículas podrían ser muy masivas y fuera del alcance del LHC. Pero podrían afectar a la oscilación de los mesones B y alterarla con respecto a las predicciones del Modelo Estándar. Dicha desviación sería una indicación indirecta de física más allá del Modelo Estándar y por eso es muy interesante. En la última década se han medido desviaciones en ciertos canales de desintegración de los mesones B [10] y la medida de B0s→J/ѱ K K va a aportar información muy importante para resolverlas. En este momento todas las medidas de violación CP en B0s→J/ѱ K K están de acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar, pero con más datos vamos a conseguir más precisión. Cuanto más precisa sea la medida de B0s→J/ѱ K K, mejor vamos a entender la naturaleza de las posibles partículas más allá del Modelo Estándar, incluyendo su masa y las fuerzas con las que interaccionan.

Estas medidas y muchas más van a aumentar en precisión en la próxima década, periodo en el que tomarán datos los descendientes de Belle y LHCb, Belle II y LHCb Upgrade. Ambos experimentos han mejorado sus detectores y van a aumentar la tasa con la que toman datos. En unos años alcanzarán una precisión sin precedentes en los canales de desintegración que he mencionado aquí, así como en muchos otros, poniendo de este modo bajo un estricto examen al Modelo Estándar y, posiblemente, haciendo descubrimientos revolucionarios.

En resumen, hemos visto unos ejemplos de procesos del campo de la física de partículas muy bien descritos por la mecánica cuántica. Esto es solo una parte muy pequeña de este campo científico. En el siglo XX nuestro conocimiento del mundo de las partículas subatómicas ha crecido de una manera enorme pero aún queda un camino emocionante e inspirador por recorrer. En este sentido, me gustaría acabar con una frase de Einstein con la que seguramente todos estaremos de acuerdo:

“Si Dios creó el mundo, su principal preocupación ciertamente no fue facilitarnos su comprensión.”

 

 

Agradecimiento especial a: Avelino Vicente (IFIC) por la impagable ayuda en la edición de este capítulo.

  

Referencias:

[1] P.A. Zyla et al. (Particle Data Group), Prog. Theor. Exp. Phys. 2020, 083C01 (2020) and 2021 update

[2] Flip Tanedo, Quantum Diaries, https://www.quantumdiaries.org/2010/05/10/the-z-boson-and-resonances

[3] Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Gargamelle

[4] The ALEPH Collaboration, The DELPHI Collaboration, The L3 Collaboration, The OPAL Collaboration, The SLD Collaboration, The LEP Electroweak Working Group, The SLD Electroweak and Heavy Flavour Groups, “Precision electroweak measurements on the Z resonance”, Physics Reports, Volume 427, Issues 5–6, 2006, Pages 257-454

[5] Albrecht, H.; Andam, A.A.; Binder, U.; Böckmann, P.; Gläser, R.; et al. (ARGUS Collaboration) (1987). "Observation of B0-anti-B0 mixing". Physics Letters B. Elsevier BV. 192 (1–2): 245–252.

[6] I. Adachi et al., “Precise measurement of the CP violation parameter sin2ϕ1 in B0 → (cc)K0 decays”, Phys. Rev. Lett. 108, 171802 (2012)

[7] A. Abulencia et al. (CDF collaboration), “Observation of B0- anti-B0s Oscillations”, Phys.Rev.Lett. 97: 242003, 2006

[8] LHCb collaboration, “Precise determination of the B0- anti-B0s oscillation frequency”, Nat. Phys. 18, 1-5 (2022)

[9] R. Aaij et al (LHCb collaboration), “Updated measurement of time-dependent CP-violating observables in B0s→J/ψ K+K- decays”

[10] R. Aaij et al (LHCb collaboration), “Test of lepton universality in beauty-quark decays”, arXiv: 2103.11769 (enviado para su publicación a Nature Physics)

  

Veronika Chobanova.

Doctora en Física.

Investigadora Distinguida Manuela Barreiro.
Instituto Galego de Física de Áltas Enerxías, Universidade de Santiago de Compostela (IGFAE-USC).


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