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.
