sábado, 14 de agosto de 2010

Nueva evidencia de que la materia y la antimateria se pueden comportar de forma diferente

Un sorprendente hallazgo de neutrinos podría obligar a los físicos a replantear los fundamentos de la física de partículas.

Un gráfico de un evento de neutrino grabado por el experimento MiniBooNE. El anillo de luz, registrado por algo más de 1.000 sensores de luz en el interior del detector, indica la colisión de un neutrino muón con un núcleo atómico.
Gráfico: Fermilab


Los neutrinos, partículas elementales generadas por las reacciones nucleares en el sol, sufren de una crisis de identidad al cruzar el universo, cambiando entre tres diferentes "sabores". Sus homólogos de antimateria (que son idénticos en masa, pero opuestos en carga y spin) hacen lo mismo cosa.

Un equipo de físicos, entre ellos algunos del MIT, ha encontrado sorprendentes diferencias entre el comportamiento de conmutación de sabor de los neutrinos y antineutrinos. Si se confirma, el descubrimiento podría ayudar a explicar por qué la materia, y no la antimateria, domina nuestro universo.

"La gente está muy emocionada por ello, porque sugiere que hay diferencias entre los neutrinos y antineutrinos", dice Georgia Karagiorgi, un estudiante graduado del MIT y uno de los líderes de los análisis de datos experimentales producidos por el experimento Booster Neutrino (MiniBooNE) en el Fermi National Accelerator Laboratory.

El nuevo resultado, anunciado en junio y presentado a la revista Physical Review Letters, parece ser una de las violaciónes observadas por primera vez de la simetría CP: la teoría de que la materia y la antimateria deberían comportarse de la misma manera. La violación de la simetría CP se ha visto antes en los quarks, otro tipo de partículas elementales que componen los protones y los neutrones, pero nunca en los neutrinos o electrones.

El descubrimiento también podría obligar a los físicos a revisar su Modelo Estándar, que cataloga todas las partículas conocidas que forman la materia. El modelo postula ahora sólo tres sabores de neutrinos, pero un cuarto (o quinto o sexto) pueden ser necesarios para explicar los nuevos resultados.

"Si esto demuestra ser correcto, tendría implicaciones importantes para la física de partículas", dice John Learned, profesor de física en la Universidad de Hawai, que no forma parte del equipo de MiniBooNE.

Hasta ahora, los investigadores disponen de datos suficientes para presentar sus resultados con un nivel de confianza justo por debajo de 99,7 por ciento (también llamado 3 sigma), que no es lo suficientemente alto como para reclamar un nuevo descubrimiento. Para llegar a ese nivel es requerido el 5-sigma de confianza (99,99994 por ciento) . "La gente va a exigir un muy limpio resultado 5-sigma", dice Learned.

Oscilaciones inesperadas

Desde la década de 1960, los físicos han estado reuniendo pruebas de que los neutrinos pueden cambiar, u oscilar entre tres diferentes sabores -muón, tau y electrón-, cada uno de ellos tiene una masa diferente. Sin embargo, aún no han sido capaces de descartar la posibilidad de que más tipos de neutrinos puedan existir.

En un esfuerzo por ayudar a concretar el número de neutrinos, los físicos MiniBooNE enviarán haces de neutrinos o antineutrinos por un túnel de 500 metros, al final de los cuales se encuentra un tanque de 250,000 galones de aceite mineral. Cuando los neutrinos o antineutrinos chocan con un átomo de carbono en el aceite mineral, los rastros de la energía que queda permite a los físicos identificar que sabor de neutrino participó en la colisión. Los neutrinos, que no tienen carga, rara vez interactúan con otras materias, por lo que tales colisiones son raras.

MiniBooNE se creó en 2002 para confirmar o refutar una conclusión polémica de un experimento en el Detector de Neutrinos por Líquido de Centelleo (LSND) en el Laboratorio Nacional de Los Alamos. En 1990, el LSND informó de que un número mayor de lo esperado de antineutrinos parecía estar oscilando en distancias relativamente cortas, lo que sugiere la existencia de un cuarto tipo de neutrino, conocido como neutrino "estéril".

En 2007, los investigadores de MiniBooNE anunciaron que sus experimentos con neutrinos no producen oscilaciones similares a las observadas en LSND. En ese momento, asumieron que lo mismo sería válido para antineutrinos. "En 2007, le habría dicho que usted puede descartar casi por completo con LSND", dice el profesor de física del MIT Janet Conrad, un miembro de la colaboración MiniBooNE y autor del nuevo documento.

MiniBooNE después cambió al modo de antineutrino y recolectó datos durante los siguientes tres años. El equipo de investigación no observaron nada en los datos hasta a principios de este año, cuando se sorprendieron al encontrar más oscilaciones que las que se esperarían de sólo tres sabores de neutrinos, el mismo resultado que LSND.

Hoy, los físicos teóricos publican documentos en línea con las teorías para dar cuenta de los nuevos resultados. Sin embargo, "no hay explicación clara e inmediata", dice Karsten Heeger, físico de neutrinos en la Universidad de Wisconsin. "Para determinar lo que sucede, necesitamos más datos de MiniBooNE, y entonces tenemos que probarlo experimentalmente de una manera diferente."

El equipo MiniBooNE planea reunir datos de antineutrinos por otros 18 meses. Conrad también espera lanzar un nuevo experimento que utiliza un ciclotrón, un tipo de acelerador de partículas en el que las mismas viajan en un círculo en lugar de una línea recta, para ayudar a confirmar o refutar el resultado de MiniBooNE



Fuente:
New evidence that matter and antimatter may behave differently (Anne Trafton, MIT News Office)

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