Simetrías - violación CP

Achegándonos ao LHC

O universo visible está composto de partículas - protóns, neutróns e electróns - e non polas súas antipartículas antagonistas - antiprotóns, antineutróns e positróns.
O Big Bang debería ter creado iguais cantidades de materia e antimateria . Logo, por que hai tanto dunhas e tan pouco das outras?

 

A violación CP (C: conxugación da carga - P: paridade) -un efecto visto só en certas clases de partículas elementais- podería proporcionar a resposta.

Andrei Sakharov en 1967 propuxo tres condicións que explicarían un universo que tendo creado a mesma cantidade de materia e de antimateria tivese evolucionado cara a dominanza da materia como vemos hoxe:

  • O primeiro requerimento era que o protón sexa inestábel. Sería posible un proceso como o seguinte:

p → e+ + π0

(protón → positrón + pión)

  • O segundo era violación C e CP (que será discutida máis abaixo).
  • A terceira condición é que o universo sufriu unha fase de moi rápida expansión, co conseguinte alonxamento do equilibrio térmico. Este desequilibrio sería propicio para un escenario no que aparecese a asimetría entre materia e antimateria.

A simetría CP, como veremos máis adiante, refirese ao feito de que os fenómenos ocorren de igual xeito se as partículas se converten nas correpondentes antipartículas usando a transformación CP.

O incumprimento desta simetría, coñecido como Violación CP, tivo como sustento teórico o proporcionado en 1973 por Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa (premiados co Nobel 2008, xunto a Yoichiro Nambu), que sinalaron, ademais, que esa violación se seguiría automáticamente se había a lo menos seis tipos -sabores- de quark. Anos despois, os dous quarks que faltaban - bottom e top - foron descubertos.


Paridade é unha importante propiedade na descrición cuántica dun sistema físico. En moitos caso, refírese á simetría da función de onda que representa o sistema. A transformación de paridade reempraza o sistema como se fose un espello, é dicir convertindo as coordenadas (x,y,z) por (-x,-y-z)

En xeral, se un sistema é idéntico ao orixinal despois dunha transformación da paridade, dise que o sistema presenta paridade par; en caso de que o resultado da transformación dea a formulación negativa da orixinal dise que o sistema ten paridade impar.

 

Más concretamente, P invirte a relación entre o momento angular intrínsico (spin) dunha partícula e a dirección da súa velocidade. Se o spin se alinea coa velocidade dise que a partícula ten "helicidade positiva". Se o spin e anti-paralelo á dirección da velocidade, a partícula ten"helicidade negativa". Baixo unha transformación P , a dirección da velocidade invírtese pero a dirección do spin non (o spin é un número cuántico); xa que logo, baixo unha transformación P unha helicidade positiva ⇒ helicidade negativa e viceversa.

Ata 1956 foi aceptado que cando un sistema illado de partículas elementais interactuaba a paridade total do sistema permanecía constante (conservábase).

Tentando comprender certos rompecabezas no decaemento dos mesóns K (descompoñíase unhas veces en dous mesóns π e outras veces en tres mesóns π), os físicos estadounidenses de orixa china Tsung-Dao Lee e Chen Ning Yang propuxeron en 1956 que a Paridade non sempre se conservaba. O anos seguinte (1957) a física estadounidense, tamén de orixe china, Chien Shiung Wu, a partir do seu famoso experimentoprobou de xeito concluinte que na interacción feble a paridade non se conservaba.

 

Conservación da Paridade

Non conservación da Paridade

En efecto, Wu orientou cun poderosos campo magnético núcleos do isótopo inestable Co-60, e a unha temperatura preto do cero absoluto para evitar desorientacións. Observou entou que no decaemento beta menos deste isótopo había preferencia pola emisión de electróns desde un dos polos do núcleo. O fenómeno era asimétrico e polo tanto non conservaba a paridade.

Tsung-Dao Lee e Chen Ning Yang  foron premiados co Nobel en 1957, pero Chien Shiung Wunon recibiu da Academia Sueca o que para moitos debería ter sido o mesmo recoñecemento.
 

A operación C (ou conxugación de carga) invirte os números cuánticos aditivos como a carga eléctrica, hipercarge, estrañeza, etc.

Así, baixo unha trasformación CP un protón de helicidade negativa convértese nun antiprotón de helicidade positiva.
Foi proposto -e posteriormente comprobado experimentalmente nos anos 1950- que partículas con helicidade contraria interactúan de forma diferente. Así, un electrón de helicidade negativa interacciona cun núcleo converténdose nun neutrino, pero un electrón con helicidade positiva no o fai. Sen embargo, un positrón con helicidade positiva si sufrirá esa interacción co núcleo dando lugar a un antineutrino. Trátase pois de dous procesos absolutamente simétricos (simetría CP). Esta simetría CP foi asumida como exacta ata 1964.

Nese ano, James Cronin e Val Fitch do Brookhaven National Laboratory descubriron unha lixeira anomalía do decaemento do mesón Kº que poñía de manifesto que a simetría CP fallaba, ou noutras palabras producíase a chamada violación CP.

Por este descubrimento Fitch Cronin recibiron o   Premio Nobel  de Física en 1980 .

Os efectos directamente observables para a violación son extremadamente sutís, e non forondescubertos ata 1999, en experimentos con mesóns K no CERN e no Fermi National Laboratory (EEUU).

 


Téñense realizado medidas moi precisas para determinar a orixe a violación CP cos mesóns K, pero dado que estos mesóns tamén interactúan baixo a interacción forte é difícil tirar unha conclusión definitiva sobre a orixe da violación CP. Para poder facer determinacións máis precisas comezouse a experimentar cos mesóns constituídos por quarks do tipo b, (B-mesóns).

Un mesón B contén un antiquark b (tamén chamado na xerga "b-bar") cun quark u oud. A súa antipartícula, chamada antimesón B ou "B-bar" meson, está composta dunquark b e un antiquark u ou antiquark d


Dous experimentos no mundo teñen sido levado a cabo para medir e estudar a violación CP mediante o decaemento de mesóns B: BaBar (PEP-II - Stanford, USA) eBELLE (KEK -Tsukuba, Xapón).

 

O experimento LHCb está fundamentalmente dedicado ao estudo da violación CP mediante procesos de decaemento de mesón B.

O LHC é de lonxe a "fábrica" máis productiva de mesóns B, cunha variedade de  b-hadróns, tales como Bu, Bd, Bs, Bc e b-barións producidas en moi alta proporción. O detector LHCb conta cun conxunto de subdetectores que serán quen de identificar os parámetros importante das partículas xeradas neses decaementos. Eses dispositivos son: RICH, calorímetros electromagnéticos e hadrónicos e as cámaras de muóns.

 

Grupo Experimental de Altas Enerxías de Santiago de Compostela dirixe a súa actividade investigadora á física dos quarks sondeando os límites do Modelo Estándar. O principal proxecto actual de investigación é o estudo da Física dos mesóns B en relación coa violación-CP, precisamente no experimento LHCb no CERN.

Na primeira fase experimental do LHC, RUN 1, no detector LHCb observouse para o decaemento de mesóns B  que o proceso que daba lugar a electróns ocorría nun 25% máis que o que producía muóns, o que podería indicar unha física máis aló do modelo estándar. Pero precísanse máis datos, que serán buscados en RUN 2, para confirmar que non se trata dunha flutuación estatística.

En Marzo de 2019 (Rencontres de Moriond) a colaboración LHCb presentou os seus resultados sobre a “violación CP” encontrada no mesón D0 (este mesón está formado por un quark c e un antiquark u). Para observar este fenómenos os investigadores desta colaboración utilizaron os datos producidos no detector LHCb desde 2011 a 2018. A violación CP á unha característica esencial do universo para comprender a asimetría materia-antimateria existente. Ata o de agora, este fenómeno só fora atopado en partículas que estiveran formadas por quarks strange ou bottom.


Transformación T (Inversión Temporal)

A Transformación T corresponde á operación de invertir a dirección do Tempo. Unha invarianza baixo T significa que un proceso é totalmente reversible no tempo. 
Aínda que é claro que as leis da Física non son invariantes baixo a transformacións C, P, ou CP, os físicos cren que a simetría CPT non será "violada".

Xa que logo, a imaxe especular du mundo de antimateria indo para atrás no tempo semellaría exactamento idéntico ao noso.

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doutor en Física de Partículas (experimental) pola USC. Research Fellow in experimental Particle Physics no CERN, desde xaneiro de 2013 a decembro de 2015. Actualmente está no Depto de Física de Partículas da USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Física e Química no IES de SAR de Santiago de Compostela, e Profesor Asociado no Departamento de Didáctica das Ciencias Experimentais da USC. É licenciado en Física e en Química, e é Doutor pola Universidade de Santiago (USC).

CERN


CERN WEBSITE

CERN Directory

CERN Experimental Program

Theoretical physics (TH)

CERN Physics Department

CERN Scientific Committees

CERN Structure

CERN and the Environment

LHC


LHC

Detector CMS

Detector ATLAS

Detector ALICE

Detector LHCb

Detector TOTEM

Detector LHCf

Detector MoEDAL

 


NOTA IMPORTANTE

Toda a Bibliografía que foi consultada para esta Sección está indicada na Sección de Referencias

 


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

···