A partir de los datos recopilados por el detector LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones, parece que las partículas conocidas como mesones encantadores y sus contrapartes de antimateria no se producen en proporciones perfectamente iguales. Los físicos de Cracovia han propuesto su propia explicación de este fenómeno y han presentado predicciones relacionadas sobre las consecuencias que son particularmente interesantes para la astronomía de neutrinos de alta energía.

En los primeros momentos después del Big Bang, el universo estaba lleno de cantidades iguales de partículas y antipartículas. Mientras se enfriaba, la materia y la antimateria comenzaron a fusionarse y aniquilarse, convirtiéndose en radiación. La materia que sobrevivió a la aniquilación ahora comprende el universo, pero este desequilibrio no se comprende bien. Para descifrar este gran misterio de la ciencia moderna, Los físicos están tratando de comprender mejor todos los mecanismos responsables de incluso las desproporciones más pequeñas en la producción de partículas y antipartículas. Un grupo de científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (FIP PAN) en Cracovia, asociado con el experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones en Ginebra, Recientemente examinó uno de estos procesos:la asimetría que aparece en el nacimiento de mesones encantadores y antimesones. Las conclusiones del análisis podrían tener una importancia práctica muy tangible.

Según la física moderna, Los quarks son los bloques de construcción indivisibles más importantes que forman la materia. Conocemos seis sabores de quarks:up (u), abajo (d), extraño (s), encanto (c), inferior (b) y superior (t); cada sabor también tiene su propia contraparte de antimateria (a menudo marcada con un guión sobre la letra, leer como "barra"). Los quarks se forman generalmente en pares quark-antiquark. Son partículas extremadamente sociables:casi inmediatamente después de nacer, se unen en hadrones, o grupos de dos, Tres, y a veces más quarks o antiquarks, enlazados con gluones (es decir, partículas que transfieren fuertes interacciones nucleares). El proceso de combinar quarks / antiquarks en complejos se llama hadronización.

Los hadrones inestables construidos a partir de pares quark-antiquark se denominan mesones. Si uno de los quarks de un mesón es un quark encanto, la partícula se llama mesón amuleto y se denota con la letra D (o para el antiquark amuleto:D con una barra encima). Un par formado por un quark charm y un antiquark down es un mesón D +, y uno que consiste en un antiquark encanto y un quark abajo es un mesón D-.

En mediciones realizadas en el último cuarto de siglo, incluyendo recientemente como parte del experimento LHCb, se notó una interesante asimetría. Resultó que los mesones D + y D- no siempre se producen exactamente en las mismas proporciones. En el caso de procesos observados en LHCb, iniciada en colisiones de haces en contracorriente de protones de alta energía, esta asimetría era pequeña, menos del uno por ciento.

"Los quarks de encanto se forman principalmente durante las colisiones de gluones en las llamadas interacciones duras, y después del nacimiento, se hadronizan en mesones D. Investigamos otro mecanismo de formación de mesones, conocida como fragmentación de quarks desfavorecida. Aquí, el mesón del encanto se crea como resultado de la hadronización de una luz (arriba, abajo, o extraño) quark o antiquark. Mediante los matices de este mecanismo, la asimetría entre kaons y antikaons, es decir, mesones K + y K-, fue explicado anteriormente. Hasta ahora, sin embargo, no se ha investigado si un mecanismo similar podría explicar la asimetría entre los mesones D + y D- relativamente masivos, "dice el Dr. Rafal Maciula (IFJ PAN), el primer autor de la publicación en la revista Revisión física D .

El detector LHCb mide principalmente partículas que divergen desde el punto de colisión de protones en ángulos grandes hasta la dirección original de movimiento de estos protones. Según los físicos de Cracovia, la asimetría en la producción de mesones D debería ser mucho mayor si se tienen en cuenta las partículas producidas en dirección hacia adelante, es decir, a lo largo de la dirección de los haces de protones. Esto significa que la desproporción observada actualmente puede ser solo la punta de un iceberg. Los cálculos sugieren que en el caso de colisiones "frontales", fragmentación desfavorecida (d, u, s 'D) puede ser comparable a la fragmentación convencional (c' D). Como resultado, la asimetría entre los mesones D + y D- puede alcanzar un alto porcentaje, incluso a energías de colisión más bajas que las que se producen actualmente en el LHC.

La investigación de los físicos de la FIP PAN puede tener consecuencias de gran alcance para los observatorios de neutrinos como el Observatorio IceCube en la Antártida. Este detector, en el que colaboran 49 instituciones científicas de 12 países, monitorea un kilómetro cúbico de hielo, ubicado a casi un kilómetro por debajo de la superficie, utilizando miles de fotomultiplicadores. Los fotomultiplicadores rastrean destellos de luz sutiles iniciados por la interacción de partículas formadoras de hielo con neutrinos, partículas elementales que interactúan muy débilmente con la materia ordinaria.

IceCube registra varios cientos de neutrinos al día. Se sabe que una gran proporción de ellos se crean en la atmósfera terrestre en procesos iniciados por rayos cósmicos y que tienen lugar con la participación de protones. Otros neutrinos pueden provenir del núcleo de la Tierra o del Sol. Es asumido, sin embargo, que los neutrinos con energías significativas han llegado al detector directamente desde fuentes cósmicas distantes, incluyendo supernovas, fusionando agujeros negros o estrellas de neutrones.

"Al interpretar los datos del detector IceCube, la producción de neutrinos en la atmósfera de la Tierra causada por la radiación cósmica ordinaria, incluyendo colisiones que involucran protones, es tomado en cuenta. Lo que pasa es que algunos de estos procesos, resultando en la formación de neutrinos con altas energías, tienen lugar con la participación de mesones D. Mientras tanto, mostramos que el mecanismo de producción de estos mesones en la atmósfera puede ser mucho más eficiente de lo que se pensaba. Entonces, si se confirman nuestras suposiciones, algunos de los neutrinos altamente energéticos registrados, ahora considerado de origen cósmico, en realidad han aparecido justo encima de nuestras cabezas y están perturbando la imagen real de los eventos en las profundidades del espacio, "explica el Prof. Antoni Szczurek (IFJ PAN).

Cuando solo se puede ver la punta del iceberg, inferencias sobre cómo se ve el resto es más que arriesgado. El modelo propuesto por los físicos de Cracovia tiene hoy el estatus de hipótesis. Quizás describe completamente el mecanismo que ocurre en la realidad. Pero también puede ser que otros procesos sean responsables de la asimetría en la producción de mesones D, tal vez parcialmente o incluso en su totalidad.

"Afortunadamente, ninguna otra propuesta competitiva predice un aumento tan claro de la asimetría en la producción de mesones D a energías de colisión más bajas. Entonces, para verificar nuestras suposiciones, Bastaría en el acelerador del LHC para dirigir un solo rayo hacia un objetivo estacionario, lo que reduciría significativamente la energía de colisión. Por lo tanto, nuestro modelo cumple con los criterios de una ciencia muy confiable:no solo explica las observaciones previas, pero sobre todo, se puede verificar rápidamente. Además, esto se puede hacer de forma muy económica, "dice el profesor Szczurek.