Simetrías - violación CP

Acercándonos al LHC

El universo visible está compuesto de partículas -protones, neutrones y electrones- y no por sus antipartículas antagonistas - antiprotones, antineutrones y positrones.
El Big Bang debería haber creado iguales cantidades de materia y antimateria. Entón, por que hay tanto de unas y tan poco de las otras?

La violación CP (C: conjugación da carga - P: paridad) -un efecto visto solamente en ciertas clases de partículas elementales- podría proporcionar la respuesta.

Andrei Sakharov en 1967 propuso tres condiciones que explicarían un universo que habiendo creado la misma cantidad de materia que de antimateria hubiese evolucionado hacia un dominio de la materia como vemos ho ye.

  • El primer requerimiento era que el protón sea inestable. Serían entonces posibles procesos como el siguiente:

p → e+ + π0

(proton → positron + pion)

  • El segundo era la violación C y CP (que será discutido de inmediato).
  • La tercera condición es que el universo hubiese sufrido una fase de muy rápida expansión. Esto provocaría un alejamiento del equilibrio térmico lo que daría lugar a un escenerio propici para una asímetría entre materia y antimateria.

La simetría CP, que analizaremos mas adelante, se refiere al hecho de que los fenómenos ocurren de igual forma si las partículas se convierten en las correspondientes antipartículas usando la transformación CP.

El marco teórico del incumplimiento de esta simetría, la Violación CP, fue proporcionado en1973 por Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa (premiados con el Nobel 2008, junto a Yoichiro Nambu), que señalaron que esa violación se seguiría automáticamente si había al menos seis sabores -tipos-de quark. En los años posteriores los quarks "b" y "t" fueron descubiertos completándose la lista de 6 tipos de quarks.


La Paridad es una importante propiedad en la descripción cuántica de un sistema físico. En muchos casos, se refiere a la simetría de la función de onda que representa al sistema. La transformación de paridad remplaza al sistema como si fuese un espejo, es decir convirtiendo las coordenadas (x,y,z) por (-x,-y-z)

En general, si un sistema es idéntico al original después de una transformación de la paridad, se dice que el sistema presenta paridad paren caso de que el resultado de la transformación de la formulación negativa de la original se dice que el sistema tieneparidad impar.


Más concretamente, P invierte la relación entre el momento angular intrínsico (spin) de una partícula y la dirección de su velocidad. Si el spin se alinea con la velocidad se dice que la partícula tiene "helicidad positiva". Si el spin es anti-paralelo a la dirección de la velocidade, a partícula tiene"helicidad negativa". Bajo unha transformación P, la dirección de la velocidad se invierte pero la dirección del spin no (el spin es un número cuántico); por tanto, una helicidad positiva ⇒ helicidad negativa y viceversa.

Hasta 1956 fue aceptado que cuando un sistema aislado de partículas elementales interactuaba, la paridad total del sistema permanecía constante (se conservaba).

Intentando comprender ciertos rompecabezas en el decaimiento de los mesones K (se descomponían unas veces en dos mesones π y otras veces en tres mesones π), los físicos estadounidenses de origen chino Tsung-Dao Lee y Chen Ning Yang propusieron en 1956 que la Paridad no siempre se conservaba. El año siguiente (1957), la física estadounidense, también de origen chino, Chien Shiung Wu, a partir de su famoso experimento, probó de forma concluyente que en la interacción débil la paridad no se conservaba.

 

Conservación de la Paridad

No conservación de la Paridad

En efecto, Wu orientó co un poderoso campo magnético núcleos del isótopo inestable Co-60, y a una temperatura cercana al cero absoluto para evitar desorientaciones. Observó entonces que en el decaimiento beta menos de este isótopo había preferencia por la emisión de electrones desde uno de los polos del núcleo. El fenómeno era asimétrico y por lo tanto la paridad no se conservaba.
Tsung-Dao Lee y Chen Ning Yang  fueron galardonados con el Nobel en 1957, pero Chien Shiung Wu non recibió de la Academia Sueca el mismo reconocimiento, a pesar de que así fue reclamado por muchos científicos.

La operación C (o conjugación de carga) invierte los números cuánticos aditivos como la carga eléctrica, hipercarga, estrañeza, etc.

Así, bajo una trasformación CP un protón de helicidad negativa se convierte en un antiprotón de helicidad positiva.
Se predijo -y posteriormente se comprobó experimentalmente en los años 1950- que partículas con helicidad contraria interactúan de forma diferente. Así, un electrón de helicidad negativa interacciona con un núcleo convirtíendose en un neutrino, pero un electrón con helicidad positiva no lo hace. Sin embargo, un positrón con helicidad positiva si sufrirá esa interacción con el núcleo dando lugar a un antineutrino. Se trata pues de dos procesos absolutamente simétricos, simetría CP. Esta simetría CP fue asumida como exacta hasta 1964.

En ese año, James Cronin y Val Fitch del Brookhaven National Laboratory descubrieron una ligera anomalía en el decaimiento del mesón Kº que ponía de manifiesto que la simetría CP fallaba, o en otras palabras se producía la llamada violación CP.

Por este descubrimiento Fitch Cronin recibieron el Premio Nobel de Física en 1980 .

Los efectos directamente observables para la violación son extremadamente sutiles, y no fueron descubiertos hasta 1999, en experimentos con mesones K en el CERN y en el FermiLab (EEUU).


Se han realizado medidas muy precisas para determinar el origen de la violación CP con mesones K, pero dado que estos mesones también interactúan bajo la interacción fuerte es difícil sacar una conclusión definitiva sobre el origen de la violación CP. Para poder hacer determinaciones más precisas se comenzó a experimentar con los mesones constituidos porquarks de tipo b (B-mesones).

Un mesón B contiene un antiquark b(también llamado en la jerga "b-bar") conun quark u o d. Su antipartícula, llamadaantimesón B o mesón "B-bar", está compuesta de un quark b y un antiquark uantiquark d
Dos experimentos en el mundo han sido llevados a cabo para medir y estudiar la violación CP mediante el decaimiento de mesones B: BaBar (PEP-II - Stanford, USA) yBELLE (KEK -Tsukuba, Xapón).
 

 


El experimento LHCb está fundamentalmente dedicado al estudio de la violación CP mediante procesos de decaimiento de mesones B.

El LHC es de largo la "fábrica" más productiva de mesones B, con una variedad de  b-hadrnes, tales como Bu, Bd, Bs, Bc y b-bariones producidas en muy alta proporción.El detector LHCb cuenta con un conjunto de subdetectores que serán capaces de identificar los parámetros importantes de las partículas generadas en esos decaimientos. Esos dispositivos son: RICH, calorímetros electromagnéticos y hadrónicos, y las cámaras de muones.

 

El Grupo Experimental de Altas Enerxías de Santiago de Compostela dirije su actividad investigadora a la  física de los quarks sondeando los límites del Modelo Estándar. El principal proyecto actual de investigación es el estudio de la Física de los mesones B en relación con la violación-CP, precisamente en el experimento LHCb en el CERN.

En la primera fase experimental del LHC, RUN 1, en el detector LHCb se observó, para la desintegración d mesones B  que el proceso que daba lugar a electrones ocurría en un 25% más que e que producía muones, lo que podría indicar una física más allá de modelo estándar. Pero se precisan más datos, que serán buscados en RUN 2, para confirmar que no se trata de una fluctuación estadística.

En Marzo de 2019 (Rencontres de Moriond), la colaboración LHCb presentó sus resultados sobre la “Violación CP” encontrada en el mesón D0 (este mesón está formado por un quark c y un antiquark u). Para observar este fenómenos los investigadores de esta colaboración han utilizado los datos producidos en el detector LHCb desde 2011 a 2018. La violación CP es una característica esencial del universo para comprender la asimetría materia-antimateria existente. Hasta ahora, este fenómeno solo se había encontrado en partículas que estuvieran formadas por quarks strange (s) o bottom (b).

“Este resultado es un hito en la historia de la Física de Partículas, Desde que hace cuarenta años fuera descubierto el mesón D, los físicos de partículas sospecharon que la violación CP existía en este tipo de mesón, pero ha sido ahora con los datos del detector LHCb, acumulados de 2011 a 2018, que se ha podido finalmente observar este efecto,” (Eckhard Elsen, CERN Director for Research and Computing).


Transformación T (Inversión Temporal)

La Transformación T corresponde a la operación de invertir la dirección dei Tiempo. Una invariancia bajo T significa que un proceso es totalmente reversible en el tempo
Aunque es claro que las leyes de la Física non son invariantes bajo la transformacións C, P, o CP, los físicos creen que la simetría CPT no será "violada".

Por tanto, la imagen especular de un mundo de antimateria yendo hacia atrás en el tiempo parecería exactamento idéntico al nuestro.

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) por la Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics en el CERN, desde enero de 2013 a diciembre de 2015. Actualmente está en el Depto de Física de Partículas de la USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Fïsica y Química en el IES de SAR (Santiago - España), y Profesor Asociado en el Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentales de la Facultad de Educación de la Universidad de Santiago (España). Es licenciado en Física y en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).

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NOTA IMPORTANTE

Toda la Bibliografía que ha sido consultada para esta Sección está indicada en la Sección de Referencias


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO (ESPAÑA) |

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