Los científicos de Fermilab han encontrado evidencia de una clara asimetría materia-antimateria

Los científicos de la colaboración DZero en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía, anunciaron el viernes 14 de mayo que han encontrado evidencia de una violación significativa de la simetría materia-antimateria en el comportamiento de las partículas que contienen quarks abajo más allá de lo que se espera en la teoría actual, esto es el Modelo Estándar de física de partículas. El nuevo resultado, presentado para su publicación en Physical Review D gracias a la colaboración DZero, un equipo internacional de 500 físicos, indica una diferencia del uno por ciento entre la producción de pares de muones y los pares de antimuones en la desintegración de mesones B producida en colisione de alta energía en el acelerador de partículas Tevatron del Fermilab.
La colaboración DZero ha encontrado pruebas de una nueva forma en la que las partículas elementales rompen la simetría materia-antimateria de la naturaleza. Este nuevo tipo de violación CP está en desacuerdo con las predicciones del marco teórico conocido como el Modelo Estándar de partículas y sus interacciones. El efecto puede ayudar a explicar por qué el universo está lleno de materia, mientras que la antimateria desapareció poco después del Big Bang. Crédito: colaboración DZero.

El dominio de la materia que observamos en el universo sólo es posible si existen diferencias en el comportamiento de las partículas y antipartículas. Aunque los físicos han observado dichas diferencias (llamada "violación CP") en el comportamiento de las partículas durante décadas, estas diferencias conocidas son demasiado pequeñas para explicar el predominio observado de la materia sobre la antimateria en el universo y son plenamente coherentes con el modelo estándar. Si es confirmado por observaciones y análisis, el efecto observado por los físicos de DZero podría representar un paso más hacia la comprensión del dominio de la materia observado, llevando los fenómenos de la nueva física más allá de lo que hoy conocemos.

Usando las características únicas de su detector de precisión y nuevos desarrollos en métodos de análisis, los científicos de DZero han demostrado que la probabilidad de que esta medida es compatible con cualquier efecto conocido es inferior al 0,1 por ciento (3,2 desviaciones estándar).

"Este nuevo y emocionante resultado proporciona evidencia de las desviaciones de la teoría actual de las desintegraciones de mesones B, de acuerdo con sugerencias anteriores", dijo Dmitri Denisov, el co-portavoz del experimento DZero, uno de los dos experimentos en el acelerador colisionador Tevatron. El año pasado, los físicos de ambos experimentos del Tevatron, CDF y DZero, observaron estos indicios en el estudio de partículas compuestas de un quark abajo y un quark extraño.

Cuando partículas de materia y antimateria colisionan en colisiones de alta energía, se convierten en energía y producen nuevas partículas y antipartículas. En el colisionador protón-antiprotón de Fermilab, los científicos observan cientos de millones cada día. Procesos similares que se produjeron en el comienzo del universo deberían habernos dejado con un universo con cantidades iguales de materia y antimateria. Pero el mundo que nos rodea está hecho solo de materia, y las antipartículas sólo pueden ser producidas en colisionadores, en las reacciones nucleares o por los rayos cósmicos. "¿Qué pasó con la antimateria?" Es una de las cuestiones centrales de la física de partículas del siglo 21.

El resultado de DZero se basa en la comparación de las distribuciones de carga positiva y negativa de los muones (μ y μ-) que salen de las colisiones de alta energía protón-antiprotón, producidas por el acelerador de partículas Tevatron. Un fuerte campo magnético en el interior del detector de partículas de DZero fuerza los muones que emergen de esas colisiones a desplazarse sobre una trayectoria curva. Dos muones con carga opuesta desplazándose por caminos que se curvan en direcciones opuestas (ver gráfico). Los científicos primero compararon las distribuciones de muones cuando el campo magnético en el interior del detector de DZero apuntaba en una dirección (configuración 1) y luego compararon sus distribuciones cuando el campo magnético fue invertido (configuración 2). Si la simetría materia-antimateria fuera perfecta, la comparación de las distribuciones de muones en las dos configuraciones daría el mismo resultado. En cambio, el experimento DZero observó una desviación del uno por ciento, evidencia de una asimetría materia-antimateria. Crédito: Fermilab.

Para obtener el nuevo resultado, los físicos de DZero realizaron el análisis de datos "a ciegas", para evitar prejuicios basados en lo que observan. Sólo después de un largo período de verificación de las herramientas de análisis, lo que los físicos DZero mirar el conjunto completo de datos. Los experimentadores invierte la polaridad del campo magnético y sus detector durante la recolección de datos para cancelar los efectos instrumentales.

"Muchos de nosotros sentimos la piel de gallina cuando vimos el resultado", dijo Stefan-Soldner Rembold, co-portavoz del DZero. "Sabíamos que estábamos viendo algo más allá de lo que hemos visto antes y más allá de lo que las teorías actuales pueden explicar."

La precisión de las mediciones de DZero sigue estando limitada por el número de colisiones registradas hasta la fecha por el experimento. Por lo que tanto FCD como DZero seguirán recolectando datos y refinando los análisis para atender esta y muchas otras cuestiones fundamentales.

"El colisionador Tevatron está funcionando muy bien, aportando a los científicos de Fermilab con niveles sin precedentes de datos de colisiones de alta energía para sondear los más profundos secretos de la naturaleza. Esteo interesante resultad subraya la importancia y el potencial científico del programa del Tevatron ", dijo Dennis Kovar, director asociado de Física de Alta Energía en el Gabinete de Ciencia del Departamento de Energía.

El resultado de DZero se basa en datos recopilados en los últimos ocho años por el experimento DZero: más de 6 femtobarns inversos en la luminosidad integrada total, correspondientes a cientos de miles de millones de colisiones entre protones y antiprotones en el colisionador Tevatron.

"Los experimentos del colisionador Tevatron estudian las colisiones de alta energía en cada detalle, desde la búsqueda del bosón de Higgs, a la medida de precisión de las propiedades de las partículas y a la búsqueda de nuevas leyes desconocidas de la naturaleza. Estoy encantado de ver otro resultado interesante del Tevatron ", dijo el Director del Fermilab Pier Oddone.

DZero es un experimento internacional de unos 500 físicos de 86 instituciones en 19 países. Es apoyado por el Departamento de Energía de EE.UU., la National Science Foundation y una serie de organismos internacionales de financiación.

Fermilab es un laboratorio nacional, financiado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE.UU., operado bajo contrato por Fermi Research Alliance, LLC.

Fuente:
Fermilab scientists find evidence for significant matter-antimatter asymmetry