¿Evidencia de una física completamente nueva?

By: EarthSky Voices

Cuando el gigantesco acelerador de Cern, el Gran Colisionador de Hadrones ( LHC ), se encendió hace 10 años, abundaban las esperanzas de que pronto se descubrirían nuevas partículas que podrían ayudarnos a desentrañar los misterios más profundos de la física. La materia oscura, los agujeros negros microscópicos y las dimensiones ocultas eran solo algunas de las posibilidades. Pero aparte del espectacular descubrimiento del bosón de Higgs, el proyecto no ha logrado dar pistas sobre lo que podría estar más allá del modelo estándar de física de partículas , nuestra mejor teoría actual del microcosmos.

Por lo tanto , es probable que nuestro nuevo artículo del LHCb, uno de los cuatro experimentos gigantes del LHC , haga latir los corazones de los físicos un poco más rápido. Después de analizar billones de colisiones producidas durante la última década, es posible que estemos viendo evidencia de algo completamente nuevo, potencialmente portador de una nueva fuerza de la naturaleza.

Pero la emoción se ve atenuada por la extrema precaución. El modelo estándar ha resistido todas las pruebas experimentales desde que se ensambló en la década de 1970, por lo que afirmar que finalmente estamos viendo algo que no puede explicar requiere evidencia extraordinaria.

Extraña anomalía

El modelo estándar describe la naturaleza en la más pequeña de las escalas, que comprende partículas fundamentales conocidas como leptones (como electrones) y quarks (que pueden unirse para formar partículas más pesadas como protones y neutrones) y las fuerzas con las que interactúan.

Hay muchos tipos diferentes de quarks, algunos de los cuales son inestables y pueden descomponerse en otras partículas. El nuevo resultado se relaciona con una anomalía experimental que se insinuó por primera vez en 2014 , cuando los físicos del LHCb detectaron quarks de “belleza” en descomposición de formas inesperadas.

Específicamente, los quarks de belleza parecían descomponerse en leptones llamados “muones” con menos frecuencia de lo que se descomponían en electrones. Esto es extraño porque el muón es, en esencia, una copia al carbón del electrón, idéntico en todos los sentidos, excepto que es unas 200 veces más pesado.

Es de esperar que los quarks de belleza se descompongan en muones con tanta frecuencia como lo hacen en electrones. La única forma en que estas desintegraciones podrían ocurrir a diferentes velocidades es si algunas partículas nunca antes vistas se involucraran en la desintegración e inclinaran la balanza contra los muones.

Si bien el resultado de 2014 fue intrigante, no fue lo suficientemente preciso como para sacar una conclusión firme. Desde entonces, han aparecido otras anomalías en procesos relacionados. Todos ellos han sido individualmente demasiado sutiles para que los investigadores estén seguros de que eran signos genuinos de la nueva física, pero, de manera tentadora, todos parecían apuntar en una dirección similar.

La gran pregunta era si estas anomalías se harían más fuertes a medida que se analizaran más datos o se desvanecieran. En 2019, el LHCb volvió a realizar la misma medición del decaimiento de los quarks de belleza, pero con datos adicionales tomados en 2015 y 2016. Pero las cosas no estaban mucho más claras de lo que habían estado cinco años antes.

Nuevos resultados

El resultado de hoy (23 de marzo de 2021) duplica el conjunto de datos existente al agregar la muestra registrada en 2017 y 2018. Para evitar la introducción accidental de sesgos, los datos se analizaron “a ciegas”: los científicos no pudieron ver el resultado hasta que todos los procedimientos utilizados en la medición había sido probada y revisada.

Mitesh Patel , físico de partículas del Imperial College de Londres y uno de los líderes del experimento, describió la emoción que sintió cuando llegó el momento de ver el resultado:

De hecho, estaba temblando. Me di cuenta de que esto era probablemente lo más emocionante que había hecho en mis 20 años en física de partículas.

Cuando apareció el resultado en la pantalla, la anomalía todavía estaba allí: alrededor de 85 desintegraciones de muones por cada 100 desintegraciones de electrones, pero con una incertidumbre menor que antes.

Lo que entusiasmará a muchos físicos es que la incertidumbre del resultado ahora está por encima de “tres sigma”, la forma en que los científicos dicen que solo hay una probabilidad entre mil de que el resultado sea una casualidad aleatoria de los datos. Convencionalmente, los físicos de partículas llaman “evidencia” a cualquier cosa por encima de tres sigma. Sin embargo, todavía estamos muy lejos de un “descubrimiento” u “observación” confirmado. Eso requeriría cinco sigma.

Los teóricos han demostrado que es posible explicar esta anomalía (y otras) reconociendo la existencia de nuevas partículas que están influyendo en las formas en que los quarks decaen. Una posibilidad es una partícula fundamental llamada “Z primo”, en esencia, un portador de una nueva fuerza de la naturaleza. Esta fuerza sería extremadamente débil, por lo que no hemos visto ningún signo de ella hasta ahora, e interactuaría con electrones y muones de manera diferente.

Otra opción es el hipotético ” leptoquark ” , una partícula que tiene la capacidad única de descomponerse en quarks y leptones simultáneamente y podría ser parte de un rompecabezas más grande que explica por qué vemos las partículas que vemos en la naturaleza.

Interpretando los hallazgos

Entonces, ¿hemos visto finalmente evidencia de nueva física? Bueno, tal vez, tal vez no. Hacemos muchas mediciones en el LHC, por lo que es de esperar que al menos algunas de ellas se alejen tanto del modelo estándar. Y nunca podemos descartar totalmente la posibilidad de que haya algún sesgo en nuestro experimento que no hayamos tenido en cuenta adecuadamente, a pesar de que este resultado se ha verificado extraordinariamente a fondo. En última instancia, la imagen solo se volverá más clara con más datos. Actualmente, el LHCb está experimentando una importante actualización para aumentar drásticamente la velocidad con la que puede registrar colisiones.

Incluso si la anomalía persiste, probablemente solo se aceptará por completo una vez que un experimento independiente confirme los resultados. Una posibilidad interesante es que podamos detectar las nuevas partículas responsables del efecto que se crea directamente en las colisiones en el LHC. Mientras tanto, el experimento Belle II en Japón debería poder realizar mediciones similares.

Entonces, ¿qué podría significar esto para el futuro de la física fundamental? Si lo que estamos viendo es realmente el presagio de algunas nuevas partículas fundamentales, finalmente será el gran avance que los físicos han estado anhelando durante décadas.

Finalmente habremos visto una parte del panorama más amplio que se encuentra más allá del modelo estándar, lo que en última instancia podría permitirnos desentrañar una serie de misterios establecidos. Estos incluyen la naturaleza de la materia oscura invisible que llena el universo o la naturaleza del bosón de Higgs. Incluso podría ayudar a los teóricos a unificar las partículas y fuerzas fundamentales. O, quizás lo mejor de todo, podría estar apuntando a algo que nunca hemos considerado.

Entonces, ¿deberíamos estar emocionados? Sí, resultados como este no se dan muy a menudo, la búsqueda definitivamente ha comenzado. Pero también debemos ser cautelosos y humildes; las reclamaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias. Solo el tiempo y el trabajo duro dirán si finalmente hemos visto el primer destello de lo que se encuentra más allá de nuestra comprensión actual de la física de partículas.

En pocas palabras: un equipo de físicos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) anunció el 23 de marzo de 2021 que habían detectado una señal inusual en sus datos que puede ser el primer indicio de una física completamente nueva.