lunes, 10 de febrero de 2014

QUARKS EN EL ESPEJO – MEDICIÓN DE LA VIOLACIÓN DE LA PARIDAD EN LA DISPERSIÓN ELECTRÓN-QUARK

Foto: El experimento de dispersión de electrones se llevó a cabo en el Laboratorio Experimental de Jefferson Lab. Sala A. Desde este punto de vista, tomado del piso de la sala, los dos espectrómetros de alta resolución muestran las puertas/escudos (blancas), abiertas. Crédito foto: Jefferson Lab.
Cual juego de las  alas de mariposas con un patrón de seis puntos en la repetición de los copos de nieve, simetrías que son eco que viaja a través de la naturaleza, llegando incluso, hasta los bloques de construcción más pequeños de la materia, los Quarks.
Desde el descubrimiento de los quarks,componentes básicos de los protones y neutrones, los físicos han estado explotando esas simetrías para estudiar las propiedades intrínsecas de los quarks y descubrir cuáles son esas propiedades y que pueden revelar acerca de las leyes físicas que las gobiernan.
Un experimento reciente llevado a cabo en el Departamento de Thomas Jefferson National Accelerator de Energía de EE.UU. (Jefferson Lab) para estudiar un raro ejemplo de ruptura de la simetría en la dispersión electrón-quark, ha proporcionado una nueva determinación de una propiedad intrínseca de los quarks que es cinco veces más precisa que la medición anterior.
El resultado también ha establecido nuevos límites, de manera complementaria, para los colisionadores de alta energía, como el Gran Colisionador de Hadrones [LHC] del CERN, por las energías que necesitarían acceder los investigadores para lograr comprender la física más allá del Modelo Estándar. 
El Modelo Estándar es una teoría que ha sido muy bien probada que, con exclusión de la gravedad, permite describir las partículas subatómicas y sus interacciones; los físicos creen que mirando más allá del Modelo Estándar puede ayudar a resolver muchas preguntas sin respuesta acerca de los orígenes y el marco básico de nuestro universo. El resultado está publicado en la edición del 06 de febrero en la Revista Nature.
El experimento probó propiedades de la simetría especular de quarks. En la simetría de espejo, las características de un objeto se fijan incluso si ese objeto se voltea como si estuviera reflejada en un espejo. La simetría de espejo de los quarks se puede probar por medir sus interacciones con otras partículas a través de las fuerzas fundamentales. Tres de las cuatro fuerzas que median las interacciones de los quarks con otras partículas – la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear fuerte – son un espejo simétrico. Sin embargo, la fuerza débil – la cuarta fuerza – no lo es. Esto significa que las características intrínsecas de los quarks que determinan la forma en que interactúan a través de la fuerza débil (llamado los acoplamientos débiles) son diferentes de, por ejemplo, la carga eléctrica de la fuerza electromagnética, la carga de color de la fuerza fuerte, y la masa de la gravedad.
En el Jefferson Lab Experimental Hall A, experimentadores miden la ruptura de la simetría especular de quarks a través del proceso de dispersión profundamente inelástica. Un haz de 6.067 GeV de electrones se envió en los núcleos de deuterio, los núcleos de un isótopo del hidrógeno que contienen un neutrón y un protón cada uno (y por lo tanto un número igual de quarks arriba y abajo). "Cuando es la dispersión profundamente inelástica, el impulso realizado por el electrón va dentro del nucleón y la rompe en pedazos", dijo Xiaochao Zheng, profesor asociado de física en la Universidad de Virginia y un portavoz de la colaboración que llevó a cabo el experimento.
Para producir el efecto de visualización de los quarks a través de un espejo, la mitad de los electrones enviados en el deuterio se establecieron al girar a lo largo de la dirección de su recorrido (como un tornillo a la derecha), y la otra mitad se fijó al girar en la dirección opuesta. Cerca de 170.000 millones de electrones que se comunicaron con los quarks a través del núcleo, tanto la fuerza electromagnética y las fuerzas débiles durante un período de dos meses de funcionamiento, se identificaron en dos espectrómetros de alta resolución. "Esto se llama una medida inclusiva, pero eso significa que sólo mide los electrones dispersos. Así, hemos utilizado dos espectrómetros, pero cada uno de los electrones que detectan en forma independiente uno del otro. La parte difícil es identificar los electrones tan rápido como vienen ", dijo Zheng.
Los experimentadores encontraron una asimetría, o diferencia, en el número de electrones que interactúan con la diana cuando se hace girar en una dirección contra el otro. Esta asimetría se debe a la fuerza débil entre el electrón y los quarks en el objetivo. La fuerza débil experimentada por los quarks tiene dos componentes; uno de ellos es análoga a la carga eléctrica y se ha medido bien en experimentos anteriores. El otro componente está relacionado con el giro del quark, ha sido claramente aislado por primera vez en el experimento del Jefferson Lab.


Imagen: Las partículas elementales se comportan de manera diferente en el mundo de los espejos. Crédito: Laboratorio Jefferson
 En concreto, el presente resultado llevó a la determinación de que los débiles acoplamientos combinaron 2C-electrón quark efectiva 2u - C 2d que es cinco veces más preciso que lo previamente determinado. Este particular acoplamiento, se describe cómo gran parte de la ruptura en la interacción electrón-quark cuya simetría especular se origina en el giro preferencial de los  quarks en la interacción débil. El nuevo resultado es el primero en demostrar que esta combinación no es cero, según como lo había predicho el Modelo Estándar.
El último experimento para acceder a esta combinación de acoplamiento era E122 efectuado en el Stanford Linear Accelerator Center del Departamento de Energía (ahora SLAC National Accelerator Laboratory ). Se utilizaron datos de ese experimento para establecer el Modelo Estándar teorizado hace más de 30 años.
El buen resultado entre el nuevo 2C 2u - C 2d   y el modelo estándar también indica que los experimentadores deben alcanzar los límites más altos de la energía con el fin de encontrar nuevas interacciones potencialmente más allá del Modelo Estándar con respecto a la violación de la simetría de espejo, debido a la rotación de la quarks. Los nuevos límites, 5,8 TeV y 4,6 TeV, están al alcance de la Gran Colisionador de Hadrones [LHC] del CERN, pero la función de giro que proporciona este experimento no se puede identificar en forma limpia en experimentos con el colisionador.
Mientras tanto, los investigadores planean extender este experimento en la próxima era de investigaciones que se efectuarán en el Laboratorio Jefferson. En un esfuerzo para perfeccionar el conocimiento de la simetría especular de ruptura de los  quarks, los experimentadores utilizarán el acelerador mejorado del Jefferson Lab., a casi el doble de la energía del haz de electrones, que permitirá la reducción de sus errores experimentales y mejorará la precisión de la medida por cinco a diez veces el valor actual. El experimento se programará una vez que se complete la actualización en el año 2017.
El experimento fue financiado por la Oficina de Ciencia del DOE, la División de la Fundación Nacional para la Ciencia de la Física y la Jeffress Memorial Trust, así como con el apoyo proporcionado a los investigadores por sus instituciones de origen. Cerca de 100 investigadores de más de 30 instituciones colaboraron en el experimento, incluyendo dos laboratorios nacionales del DOE, Jefferson Lab y Argonne National Lab . El trabajo investigativo se encuentra en Nature del 05 de febrero de 2014
Compilado desde Symmetry y el Jefferson Lab. Explorin the Nature of Matter.