En el Fermilab determinan el tiempo de vida del quark top

La mayoría de las partículas subatómicas que son producidas en el Tevatrón del Fermilab tiene una existencia efímera, pero aun así es raro que una de ellas viva tan brevemente como el quark top (en español "cima"). Los científicos de DZero han anunciado que determinaron el tiempo de vida (width) del quark top y encontraron que son apenas 3 x 10^-25 segundos. Se trata de un número abrumadoramente chico, y no existen analogías adecuadas para describir algo tan pequeño.

Este resultado se logra mediante la explotación de un principio de la mecánica cuántica, llamado el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. En su forma más básica, indica que usted no puede saber con exactitud la posición (x) y la cantidad de movimiento (p) de un objeto al mismo tiempo. Por ejemplo, si se definiera con precisión absoluta la posición no se sabría absolutamente nada de su velocidad y viceversa. Todo esto se expresa como:




Donde h cruzada con una raya es la constante de Planck dividida por 2π, siendo:



Sin embargo, a pesar de la incerteza, "algo se puede hacer". Una variante del principio dice que, de manera similar, no se pueden conocer simultáneamente la energía y el tiempo de vida de una partícula. Lo expresamos así:




Y recordemos que Einstein demostró que masa y energía son la misma cosa (E=mc²). A partir de esta situación los científicos de DZero fueron capaces de usar métodos sutiles para determinar un rango de masas posibles para los quarks top y poder inferir, por lo tanto, a partir de la equivalencia masa-energía y del principio de Heisenberg expresado en la segunda forma, el tiempo de vida (width) de la partícula.

Otra característica interesante de este resultado es que utiliza los eventos en que se produjo un único quark top. Este logro es particularmente notable porque los quarks top son los que más comúnmente se producen en pares y la primera observación de acontecimientos en los que se produjo un único quark top fue hace sólo un año. Esta nueva medida pone de manifiesto dramáticamente el proceso en curso de la exploración científica, donde un descubrimiento lleva a otro.

Figura 1: Diagrama representativo de la fusión b W. Donde "b" es un quark bottom y "W" un bosón.

Figura 2: Densidad de probabilidad posterior, esperada y medida, para el ancho (tiempo de vida) parcial. Las áreas tramadas representan una desviación estándar alrededor de los picos.

Figura 3: Densidad de probabilidad posterior, esperada y medida, para el ancho (tiempo de vida) total. Las áreas tramadas representan una desviación estándar alrededor de los picos.

Para los interesados en la fuente original, me refiero al paper sobre esta investigación, pueden leer el PDF Determination of the width of the top quark (Preliminary Results for Winter 2010 Conferences>), de la Colaboración DZero, fechado 11 de marzo de 2010.

El experimento DZero consiste en una colaboración a nivel mundial de científicos que realizan investigaciones sobre la naturaleza fundamental de la materia. El experimento se encuentra en el ahora segundo acelerador de alta energía más importante del mundo, el colisionador Tevatron, en el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) en Batavia, Illinois, EE.UU.. La investigación se centra en estudios precisos de las interacciones de protones y antiprotones en las energías más altas disponibles. Se trata de una intensa búsqueda de pistas subatómicas que revelan el carácter de los componentes básicos del universo.

Estos científicos combinaron la observación de la producción de quarks top con los principios de la mecánica cuántica para medir el tiempo de vida alucinantemente corto del quark top.

Sin un detector, no son posibles las mediciones. Estos son dos físicos líderes del grupo de científicos que están trabajando para identificar electrones, fotones, neutrinos y jets usando el calorímetro DZero.

Fuente:
Top quarks live fast and die young

Sobre las imágenes:
La ilustracion superior pertenece a DZero, Fermilab.