Si las mediciones del CERN son correctas es posible que se sugiera una nueva física.

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¿Una nueva física cuántica?

Durante mediados y finales del siglo XX, los físicos cuánticos desglosaron la teoría unificada de la física que ofrecía la teoría de la relatividad de Einstein . La física de lo grande estaba gobernada por la gravedad, pero solo la física cuántica podía describir las observaciones de lo pequeño. Desde entonces, una guerra de tirones teórica entre la gravedad y las otras tres fuerzas fundamentales ha continuado mientras los físicos intentan extender la gravedad o la física cuántica para subsumir a la otra como más fundamental .

Las mediciones recientes del Gran Colisionador de Hadrones muestran una discrepancia con las predicciones del Modelo Estándar que pueden insinuar reinos completamente nuevos del universo que subyacen a lo que describe la física cuántica. Aunque se requieren pruebas repetidas para confirmar estas anomalías, una confirmación significaría un punto de inflexión en nuestra descripción más fundamental de la física de partículas hasta la fecha.

Espirales en el espacio
Crédito de la imagen: starsandspirals

Los físicos cuánticos encontraron en un estudio reciente que los mesones no se descomponen en partículas de kaón y muón con la frecuencia suficiente, de acuerdo con las predicciones de frecuencia del Modelo Estándar. Los autores coinciden en que la mejora del poder del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) revelará un nuevo tipo de partículas responsable de esta discrepancia. Aunque los errores en los datos o la teoría pueden haber causado la discrepancia, en lugar de una nueva partícula, un LHC mejorado sería una gran ayuda para varios proyectos en la vanguardia de la física.

El modelo estándar

El Modelo Estándar es una teoría fundamental bien establecida de la física cuántica que describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales que se cree que gobiernan nuestra realidad física. Las partículas cuánticas se producen en dos tipos básicos, quarks y leptones. Quarks se unen en diferentes combinaciones para construir partículas como protones y neutrones. Estamos familiarizados con protones, neutrones y electrones porque son los bloques de construcción de los átomos.

La “familia de lepton” presenta versiones más pesadas del electrón  , como el muón, y los quarks pueden fusionarse en cientos de otras partículas compuestas. Dos de estos, los mesones Bottom y Kaon, fueron los culpables de este misterio cuántico. El mesón inferior (B) se descompone en un mesón Kaon (K) acompañado por una partícula muón (mu-) y anti-muón (mu +).

La anomalía

Encontraron una varianza de 2.5 sigma, o 1 en 80 probabilidad, “lo que significa que, en ausencia de efectos inesperados, es decir, nueva física, se produciría una distribución más desviada que la observada alrededor del 1,25 por ciento del tiempo”, Profesor Spencer Klein , científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, le dijo al Futurismo. Klein no estuvo involucrado en el estudio.

Esto significa que la frecuencia de mesones que se descomponen en quarks extraños durante las pruebas de colisión de protones del LHC cayó un poco por debajo de la frecuencia esperada. “La tensión aquí es que, con una sigma 2.5 [o desviación estándar de la tasa de descomposición normal], o bien los datos están un poco apagados, la teoría está un poco apagada, o es una pista de algo más allá del estándar modelo “, dijo Klein. “Diría, ingenuamente, que uno de los dos primeros es el correcto”.

Para Klein, esta variación es inevitable teniendo en cuenta el alto volumen de datos que ejecutan las computadoras para las operaciones del LHC. “Con los  conjuntos de datos de Petabyte (10 15 bytes) del LHC, y con las computadoras modernas, podemos hacer una gran cantidad de mediciones de diferentes cantidades”, dijo Klein. “El LHC ha producido muchos cientos de resultados. Estadísticamente, se espera que algunos de ellos muestren fluctuaciones de 2,5 sigma “. Klein señaló que los físicos de partículas generalmente esperan una fluctuación de 5 sigma antes de llorar lobo, lo que  corresponde a aproximadamente 1 en 3,5 millones de fluctuaciones en los datos.

La física se estudia aquí en CERN: CMS.
Crédito de la imagen: Laura Gilchrist

Estas últimas observaciones anómalas no existen en el vacío. “El aspecto interesante de los dos tomados en combinación es qué tan alineados están con otras medidas anómalas de los procesos que involucran los mesones B que se habían realizado en años anteriores”, dijo el Dr. Tevong You , coautor del estudio e investigador junior en teoría la física en Gonville y Caius College, Universidad de Cambridge, le dijo al Futurismo. “Estas mediciones independientes fueron menos limpias pero más significativas. En total, la posibilidad de medir estas cosas diferentes y hacer que todas se desvíen del Modelo Estándar de manera consistente está más cerca de 1 en 16000 de probabilidad, o 4 sigma “, dijo Tevong.

Extender el Modelo Estándar

Salvo errores estadísticos o teóricos, Tevong sospecha que las anomalías enmascaran la presencia de partículas completamente nuevas, llamadas leptoquarks o partículas primarias Z. Dentro de los mesones inferiores, las excitaciones cuánticas de partículas nuevas podrían interferir con la frecuencia de desintegración normal. En el estudio , los investigadores concluyen que un LHC actualizado podría confirmar la existencia de nuevas partículas, haciendo una importante actualización del Modelo Estándar en el proceso.

“Sería revolucionario para nuestra comprensión fundamental del universo”, dijo Tevong. “Para la física de partículas […] significaría que estamos retirando otra capa de la Naturaleza y continuando en un viaje de descubrimiento de los elementos más elementales. Esto tendría implicaciones para la cosmología, ya que se basa en nuestras teorías fundamentales para entender el universo temprano “, agregó. “La interacción entre la cosmología y la física de partículas ha sido muy fructífera en el pasado. En cuanto a la materia oscura, si surge del mismo nuevo sector de física en el que está incrustado el Zprime o el leptoquark, entonces también podremos encontrar signos de ello cuando exploremos este nuevo sector “.

El poder de saber

Hasta ahora, los científicos del LHC solo han observado fantasmas y anomalías que sugieren partículas que existen a niveles de energía más altos. Para demostrar su existencia, los físicos “necesitan confirmar los signos indirectos […] y eso significa ser pacientes mientras que el experimento LHCb reúne más datos sobre las desintegraciones B para hacer una medición más precisa”, dijo Tevong. “También obtendremos una confirmación independiente por otro experimento, Belle II, que debería estar disponible en línea en los próximos años. Después de todo eso, si la medición de B decae aún no está de acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar, entonces podemos estar seguros de que algo más allá del Modelo Estándar debe ser responsable, y eso apuntaría hacia leptoquarks o partículas Zprime como la explicación “, dijo. adicional.

Para establecer su existencia, los físicos intentarían producir las partículas en colisionado de la misma manera en que se producen los mesones inferiores o los bosones de Higgs y observar cómo se descomponen. “Necesitamos poder ver un leptoquark o Zprime salir de las colisiones del LHC”, dijo Tevong. “El hecho de que no hayamos visto partículas exóticas en el LHC (hasta ahora) significa que pueden ser demasiado pesadas, y se necesitará más energía para producirlas. Eso es lo que estimamos en nuestro documento: la posibilidad de descubrir directamente leptoquarks o partículas Zprime en futuros colisionadores con mayor energía “.

Salto cuántico para el LHC

Buscar nuevas partículas en el LHC no es un juego de espera. La probabilidad de observar nuevos fenómenos es directamente proporcional a la cantidad de partículas nuevas que aparecen en las colisiones. “Mientras más partículas aparezcan, mayores serán las posibilidades de detectarlo entre muchos otros eventos de fondo que tienen lugar durante esas colisiones”, explicó Tevong. A los efectos de encontrar nuevas partículas, lo compara con buscar una aguja en un pajar; es más fácil encontrar una aguja si el pajar está lleno de ellos, en lugar de uno. “La tasa de producción depende de la masa y los acoplamientos de la partícula: las partículas más pesadas requieren más energía para producir”, dijo.

La electricidad se estudia en un laboratorio de investigación de física.
Crédito de la imagen: highlander411

Esta es la razón por la cual Tevong y sus coautores BC Allanach y Ben Gripaios  recomiendan extender la longitud del circuito del LHC, reduciendo así la cantidad de energía magnética necesaria para acelerar las partículas o reemplazar los imanes actuales por otros más fuertes.

Según Tevong, el laboratorio CERN está programado para seguir ejecutando el LHC en su configuración actual hasta mediados de la década de 2030. Posteriormente, podrían actualizar los imanes del LHC, duplicando aproximadamente su potencia. Además de los imanes trucados, el túnel podría ver una ampliación de los actuales 27 a 100 km (17 a 62 millas). “El efecto combinado […] proporcionaría aproximadamente siete veces más energía que el LHC”, dijo Tevong. “La escala de tiempo para la finalización sería al menos en la década de 2040, aunque todavía es demasiado pronto para hacer proyecciones significativas”.

Si se confirman las anomalías leptoquark o Z prime, el Modelo Estándar debe cambiar, reitera Tevong. “Es muy probable que tenga que cambiar a escalas de energía directamente accesibles para la próxima generación de colisionadores, lo que nos garantizaría respuestas”, agregó. Al notar que no se sabe si la materia oscura tiene algo que ver con la física detrás de Zprimes o leptoquarks, lo mejor que podemos hacer es buscar “tantas mediciones anómalas como sea posible, ya sea en colisionadores, experimentos de física de partículas más pequeños, búsquedas de materia oscura o observaciones cosmológicas y astrofísicas “, dijo. “Entonces, el sueño es que podamos formar conexiones entre varias anomalías que pueden vincularse mediante una teoría única y elegante”.

noviembre 19, 2017

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