Artículo publicado por Ron Cowen el 23 de julio de 2011 en Nature News.

Las colisiones de partículas apuntan a la existencia de un gluón no descubierto.

Observaciones recientemente publicadas del quark top – la más pesada de todas las partículas fundamentales conocidas – podría topar con el modelo estándar de la física de partículas. Los datos procedentes de colisiones en el acelerador de partículas Tevatron en Fermilab situado en Batavia, Illinois, apunta a que algunas de las interacciones de los quarks top están gobernadas por una fuerza desconocida, comunicada a través de una partícula hipotética conocida como gluón top. El modelo estándar no permite tal fuerza o partícula.

Crédito Ethan Hein

Los resultados, presentados¹ en la Conferencia Europhysics sobre Física de Alta Energía en Grenoble, Francia, podrían ayudar a los investigadores a comprender el origen de la masa. De acuerdo con una interpretación teórica, un quark top unido a su homólogo de antimateria, el antitop, actuaría como una versión del esquivo bosón de Higgs, confiriendo masa a las otras partículas.

Regina Demina, físico en la Universidad de Rochester en Nueva York, y sus colegas bucearon a través de ocho años de datos de colisiones de partículas registrados en uno de los dos detectores del Tevatron, conocido como DZero. Los quarks top producidos durante las colisiones pueden salir volando en la dirección del haz de protones del acelerador o del haz de antiprotones; Demina y su equipo descubrieron que viajaban más hacia el haz de protones de lo predicho en el modelo estándar de la física. Parece que se necesitaría un modelo distinto para explicar la discrepancia.

Partículas emparejadas

Un modelo posible es el sugerido por Christopher Hill, teórico del Fermilab que hace 20 años propuso cómo un quark top y su antipartícula podrían impartir masa a los bosones W y Z, partículas que portan la fuerza nuclear débil responsable del decaimiento radiactivo. El trabajo, actualizado en 2003², se basa en gran parte en una analogía con algunos tipos de superconductores de baja temperatura, materiales que no tienen resistencia eléctrica a temperaturas de apenas unos pocos grados sobre el cero absoluto.

En algunos superconductores, los electrones se emparejan, ligados por vibraciones similares a partículas en el material. Los electrones ligados limitan el rango sobre el cual puede actuar la fuerza electromagnética dentro del material, un efecto que a su vez imparte una masa efectiva a los fotones cercanos – partículas de luz, que transportan la fuerza electromagnética de largo alcance y normalmente no tiene masa.

De una forma similar, Hill sugiere que los quarks top y antitop podrían emparejarse por todo el cosmos, ligados por una fuerza transportada por una partícula aún por descubrir conocida como gluón top. “Es como si todo el universo fuese un tipo especial de superconductor”, dice el físico Matthew Schwartz de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts. La teoría explica el origen de la masa a través del universo como un trabajo de equipo. Primero el gluón top actuaría para crear el quark top y el pesado antitop, de la misma forma que la fuerza que une a los electrones en un superconductor crea fotones pesados cerca. Luego, el par top-antitop explicaría por sí mismo el origen de la masa a través del resto del universo, confiriendo masa, por ejemplo, a los bosones W y Z, los portadores de la fuerza nuclear débil. La masa relativamente pesada adquirida por las partículas W y Z limita el rango de la fuerza débil, rompiendo la simetría entre esta fuerza y la fuerza electromagnética de largo alcance que los teóricos creen que existe en energías muy altas.

En un estudio publicado online³ el 16 de junio, Schwartz y sus colegas de Harvard demuestran que el modelo de Hill podría también tener en cuenta la asimetría del quark top observada en el Tevatron. Los detalles tienen que ver con la forma en que el quark up, un componente del protón, se acopla al quark top en la nueva teoría.

Confirmación independiente

La asimetría observada en DZero ciertamente no es suficiente para constituir una prueba de la existencia del gluón top, pero encaja independientemente con hallazgos de los que se informó⁴ a principios de año en el otro detector del Tevatron, el CDF.

Dmitri Denisov, portavoz del experimento DZero, está de acuerdo en que los resultados son similares a la preferencia direccional del quark top vista en CDF. Advierte que, sin embargo, el modelo estándar de la física de partículas es tan complejo que es difícil describirlo con precisión mediante ecuaciones. La asimetría observada del quark top se compara con un sucedáneo imperfecto del verdadero modelo estándar, por lo que la supuesta discrepancia podría caer dentro de la incertidumbre del modelo.

La teoría de Schwartz es fácilmente comprobable. El gluón top tiene una energía predicha dentro del rango actual del colisionador de partículas más potente del mundo – el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cerca de Ginebra, Suiza – por lo que podría encontrarse en el próximo año, dice Schwartz.

Un equipo de investigación que trabaja con el detector CMS del LHC informó⁵ el 21 de julio que no vieron pruebas de la asimetría quark top. Pero Schwartz señala que la asimetría es mucho más difícil de ver en el LHC que en el Tevatron, debido a que el LHC empieza intrínsecamente con una configuración simétrica – impactando un haz de protones con otro haz de protones – por lo que es más difícil discernir si el quark top tiene una preferencia direccional en el LHC que en el Tevatron. “Sospecho que no se puede descartar nada con estos datos”, dice, “y esto no niega ningún modelo”.

Dan Hooper, físico teórico en el Fermilab, apunta que la asimetría del quark top es sólo una de las muchas grietas del modelo estándar de la física de partículas. Y aunque Schwartz está de acuerdo en que es improbable que alguna teoría explique todos los defectos, dice que tener en cuenta el extraño comportamiento del quark top sería un inicio prometedor.

Referencias:
1.-Demina, R. Measurement of the forward-backward charge asymmetry in top quark production in collisions at 1.96TeVPresentado en Europhysics Conference on High-Energy Physics (July 23 2011); Enlace.

2.-Hill, C. T. & Simmons, E. H. Phys.Rep. 381, 235-402 (2003). | Artículo | ChemPort |
3.-Cui, Y., Han, Z. & Schwartz, M. D. Borrador en ArXiv (2011).
4.-The CDF collaboration Borrador en Fermilab (2011).

5.-The CMS Collaboration Borrador en CERN (2011).

Autor: Ron Cowen
Fecha Original: 23 de julio de 2011
Enlace Original

Dar a alguien una definición de la cuarta dimensión es relativamente fácil, darle a alguien una comprensión intuitiva de la cuarta dimensión puede ser bastante difícil. Una definición de la cuarta dimensión podría ser algo así: La cuarta dimensión es el espacio que se puede llegar a viajar en una dirección perpendicular al espacio tridimensional. Cada vez que una persona no sin conocimiento oye esto, comienzan a señalar con el dedo en el aire, tratando de averiguar cómo es posible que una dirección asi exista. Como una breve explicación no les da ninguna sensación intuitiva de la cuarta dimensión.

Con el fin de darle una mejor comprensión de la cuarta dimensión, trataremos con un método que sigue una secuencia de n-hipercubos que se inicia con la dimensión cero y avanza hasta la cuarta dimensión. Un hipercubo n-es la generalización del cubo dentro de n dimensiones, con un hipercubo 3-simplemente ser el cubo tradicional. Al ver cada hipercubo n-construir a partir de la anterior, deberas tener una mejor comprensión de la etapa final, a partir de la tercera dimensión a la cuarta dimensión.

Paso 1 – Dimensión Cero. Imagine un punto en el espacio. Se trata de un 0-hipercubo. Un punto es cero dimensional, ya que no tiene anchura, longitud o altura, y es infinitamente pequeño. Cada punto es exactamente el mismo y tiene las mismas medidas, porque no tiene dimensión. A continuación se muestra una imagen de un punto, lo que representa la dimensión cero.

Paso 2 – Primera Dimensión. Tomar el punto cero-dimensional, dale forma en cualquier dirección, creando un segmento de línea, que es un hipercubo de 1. Todos los segmentos de línea son unidimensionales, ya que difieren en tamaño por una sola medición, la longitud. Todos ellos tienen la misma anchura y altura, que es infinitamente pequeño. Si ha expandido la línea infinitamente, cubriría un espacio tridimensional.

Paso 3 – Segunda Dimensión. Ahora toma el segmento de línea, dale forma en cualquier dirección que es perpendicular a la primera dirección, la creación de una plaza, que es un hipercubo de 2. Todas las plazas son de dos dimensiones, ya que difieren entre sí en tamaño por dos medidas, anchura y longitud. Todos ellos tienen la misma altura, que es infinitamente pequeño. Todos los bordes de la misma longitud, y todos los ángulos son rectos. Si ha expandido la plaza infinitamente, cubriría un espacio bidimensional.

Paso 4 – Tercera Dimensión. Tomar la plaza no infinita, dale forma en una tercera dirección, perpendicular a ambas de las dos primeras direcciones, creando un cubo, que es un 3-hipercubo. Todos los cubos son de tres dimensiones, ya que difieren entre sí en el tamaño de todos los de las tres medidas que conocemos – anchura, longitud y altura. Al igual que la plaza, todos los bordes en un solo cubo tienen la misma longitud, y todos los ángulos son rectos. Si ha expandido el cubo hasta el infinito en todas direcciones, que cubriría el espacio tridimensional.

Paso 5 – Cuarta Dimensión. Ahora, el paso final. Tome el cubo no infinita, dale forma en otra dirección perpendicular a las tres primeras. Pero, ¿cómo podemos hacer esto? Es imposible hacerlo dentro de las restricciones de la tercera dimensión (al que me refiero como real espacios en esta página). Sin embargo, dentro de la cuarta dimensión (que se llama tetraespacio), es posible. La forma que resulta de esta extrusión de un cubo en tetraespacio se denomina teseracto, que es un hipercubo de 4. Todos los tesseracts difieren de otros tesseracts en tamaño por cuatro mediciones (iguales entre sí dentro de una sola teseracto) – anchura, longitud, altura, y una cuarta medición, a la que algunos cientificos ingleses llaman trength. Mirando hacia atrás a la anterior n-dimensional cubos, todos tienen la misma trength, que es infinitamente pequeño. Al igual que el cubo y el cuadrado, todos los bordes en un teseracto solo tienen la misma longitud, y todos los ángulos son rectos. Si ha expandido el teseracto infinitamente, cubriría espacio de cuatro dimensiones.

Hay varias maneras de ver el teseracto, y voy a mostrar tres de ellos aquí. La primera se denomina una proyección interna, y que está formado por una. Proyección de la Tesseract en realmspace con una proyección en perspectiva Las partes del teseracto originales que están más lejos aparecen más pequeños en la proyección interna. La celda del cubo original que existía antes de la extrusión en un teseracto es de color gris, los caminos de los vértices están en el trullo, y el punto final de la celda del cubo extruido es de color azul. El teseracto real no es la forma de la proyección interna se muestra a continuación – la proyección interna es una muy distorsionada «imagen» de la teseracto original. Todos los bordes que se ve en la imagen en realidad son la misma longitud que los demás, y todos los ángulos entre los bordes son rectos.

La segunda manera de ver un teseracto no es en realidad un teseracto normal, sino una proyección paralela de un tesseract sesgada. Para hacer esta forma, primero hacer un teseracto, a continuación, cambiar la celda del cubo superior a una corta distancia en diagonal, en paralelo a realmspace. Dado que este cambio es paralelo a realmspace, en realidad puede ser en cualquier dirección que se puede apuntar. Después del cambio, se traza la sombra de los bordes de la teseracto sesgada es. El resultado es una figura que tiene dos cubos con sus vértices conectados entre sí. En la forma orignal, todos los bordes en las celdas del cubo tienen la misma longitud y tienen ángulos rectos unos con otros. Sin embargo, no tienen ángulos rectos con los bordes de conexión verde azulado, y los bordes de conexión verde azulado son ligeramente más largos que los bordes de la celdas del cubo.

La tercera forma de ver un tesseract es una proyección paralela en realmspace. Es lo mismo que un teseracto sesgada, pero pasó sin la celda del cubo superior. Desde los bordes de la Tesseract se extruye en una dirección perpendicular a realmspace, cuando la forma se proyecta de nuevo en realmspace, los bordes de la celda de un cubo azul se proyecta hacia atrás en los bordes de la celda de un cubo gris. La proyección resultante es un simple cubo. Esto no ocurrió con la proyección interna, ya que la proyección era una proyección en perspectiva.

Este último paso de tratar de ver un teseracto muestra las dificultades para representar los objetos de tetraspace dentro de las limitaciones de espacio real – hay una dirección perpendicular extra que no se puede representar dentro de nuestro propio espacio sin distorsionar el objeto original. Debido a estos problemas, se necesitan muchos ejemplos para comenzar a comprender la naturaleza de la cuarta dimensión.

Ya ha visto un atisbo de la cuarta dimensión. Esto es sólo el comienzo – existen muchos aspectos más de la cuarta dimensión a explorar. En el resto de estas páginas, me referiré a muchas de las propiedades de la cuarta dimensión – la rotación, la llanura, la levitación, las formas, el agua, y muchos otros. En el momento en que haya terminado, deberías haber aprendido muchas cosas interesantes sobre la cuarta dimensión, y tal vez tendrá que incluso hizo algunos descubrimientos por tu cuenta. Pero si aun asi eres de los que necesita que se lo expliquen via video, que mejor que una explicacion del genial Carl Sagan en este video de la serie Cosmos:

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