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
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