Una transformación de simetría CP intercambia una partícula con la imagen especular de su antipartícula. La colaboración LHCb ha observado una ruptura de esta simetría en las desintegraciones del mesón D0 (ilustrado por la gran esfera a la derecha) y su contraparte de antimateria, el anti-D0 (gran esfera a la izquierda), en otras partículas (esferas más pequeñas). El alcance de la ruptura se dedujo de la diferencia en el número de desintegraciones en cada caso (barras verticales, solo para ilustración). Crédito:CERN
Los físicos de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Syracuse han confirmado que la materia y la antimateria se descomponen de manera diferente para las partículas elementales que contienen quarks encantados.
El distinguido profesor Sheldon Stone dice que los hallazgos son los primeros, aunque la asimetría materia-antimateria se ha observado antes en partículas con quarks extraños o quarks de belleza.
Él y los miembros del grupo de investigación de Física de Altas Energías (HEP) del Colegio han medido, por primera vez y con una certeza del 99,999 por ciento, una diferencia en la forma D 0 mesones y anti-D 0 los mesones se transforman en subproductos más estables.
Los mesones son partículas subatómicas compuestas por un quark y un antiquark, unidos por fuertes interacciones.
"Ha habido muchos intentos de medir la asimetría materia-antimateria, pero, hasta ahora, nadie ha tenido éxito, "dice Stone, que colabora en el experimento de belleza del Gran Colisionador de Hadrones (LHCb) en el laboratorio del CERN en Ginebra, Suiza. "Es un hito en la investigación de la antimateria".
Los hallazgos también pueden indicar una nueva física más allá del Modelo Estándar, que describe cómo las partículas fundamentales interactúan entre sí. "Hasta entonces, necesitamos esperar intentos teóricos para explicar la observación en medios menos esotéricos, " él añade.
Cada partícula de materia tiene una antipartícula correspondiente, idéntico en todos los sentidos, pero con un cargo opuesto. Estudios de precisión de átomos de hidrógeno y antihidrógeno, por ejemplo, revelan similitudes más allá de la milmillonésima posición decimal.
Cuando las partículas de materia y antimateria entran en contacto, se aniquilan entre sí en un estallido de energía, similar a lo que sucedió en el Big Bang, hace unos 14 mil millones de años.
"Es por eso que hay tan poca antimateria natural en el Universo que nos rodea, "dice Stone, miembro de la Sociedad Estadounidense de Física, que le ha otorgado el premio W.K.H. Premio Panofsky de Física Experimental de Partículas.
La pregunta en la mente de Stone involucra la naturaleza igual pero opuesta de la materia y la antimateria. "Si la misma cantidad de materia y antimateria surgiera en existencia en el nacimiento del Universo, no debería haber quedado nada más que pura energía. Obviamente, eso no sucedió, ", dice en un soplo de subestimación.
Por lo tanto, Stone y sus colegas del LHCb han estado buscando diferencias sutiles en materia y antimateria para comprender por qué la materia es tan frecuente.
La respuesta puede estar en el CERN, donde los científicos crean antimateria rompiendo protones en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el más grande del mundo, acelerador particular más potente. Cuanta más energía produce el LHC, cuanto más masivas son las partículas (y antipartículas) que se forman durante la colisión.
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza es el más grande del mundo, acelerador de partículas más potente. Crédito:CERN
Es en los escombros de estas colisiones donde científicos como Ivan Polyakov, un postdoctorado en el grupo HEP de Syracuse, búsqueda de ingredientes de partículas.
"No vemos antimateria en nuestro mundo, así que tenemos que producirlo artificialmente, ", dice." Los datos de estas colisiones nos permiten mapear la descomposición y transformación de partículas inestables en subproductos más estables ".
HEP es conocido por su investigación pionera en los quarks, partículas elementales que son los componentes básicos de la materia. Hay seis tipos, o sabores, de quarks, pero los científicos suelen hablar de ellos en parejas:arriba / abajo, encanto / extraño y superior / inferior. Cada par tiene una masa correspondiente y una carga electrónica fraccionada.
Además del quark beauty (la "b" en "LHCb"), HEP está interesado en el quark encantado. A pesar de su masa relativamente alta, un quark encantado vive una existencia fugaz antes de descomponerse en algo más estable.
Recientemente, HEP estudió dos versiones de la misma partícula. Una versión contenía un quark encantado y una versión de antimateria de un quark up, llamado quark anti-up. La otra versión tenía un quark anti-encanto y un quark up.
Usando datos del LHC, identificaron ambas versiones de la partícula, bien en las decenas de millones, y contó el número de veces que cada partícula se descompuso en nuevos subproductos.
"La proporción de los dos posibles resultados debería haber sido idéntica para ambos conjuntos de partículas, pero descubrimos que las proporciones diferían en aproximadamente una décima de porcentaje, Stone dice:"Esto prueba que la materia encantada y las partículas de antimateria no son totalmente intercambiables".
Agrega Polyakov, "Las partículas pueden verse iguales en el exterior, pero se comportan de manera diferente por dentro. Ese es el rompecabezas de la antimateria ".
La idea de que la materia y la antimateria se comportan de manera diferente no es nueva. Estudios previos de partículas con quarks extraños y quarks inferiores lo han confirmado.
¿Qué hace que este estudio sea único? Stone concluye:es que es la primera vez que alguien ha visto partículas asimétricas con quarks encantados:"Es uno de los libros de historia".
