BATAVIA, Illinois – Científicos colaboradores del detector del colisionador DZero en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía han anunciado que los datos sobre las propiedades de una partícula subatómica, el mesón B_s (“B sub s”), sugieren que la partícula oscila entre materia y antimateria en uno de los procesos más rápidos de la naturaleza: más de 17 billones de veces por segundo. Sus hallazgos pueden afectar la visión actual de la asimetría materia-antimateria y también pueden ofrecer una primera visión de las contribuciones de la nueva física, como la supersimetría, a la física de partículas.
Los mesones B_s y sus antipartículas se producen en pares en colisiones protón-antiprotón de alta energía. Esta representación por computadora muestra los productos de desintegración de la partícula candidata de vida corta producida en una colisión. Los productos de desintegración se utilizan para identificar los mesones B_s producidos en la colisión. (Cortesía de Colaboración DZero)
Los resultados de DZero, que sugieren una frecuencia de oscilación preferida entre 17 y 21 veces por picosegundo (billonésima de segundo), se describen en un artículo presentado a la revista Physical Review Letters. El resultado, una medida de la frecuencia de oscilación o "mezcla" de la partícula, tiene un nivel de confianza del 90 por ciento y, por lo tanto, no califica como un descubrimiento. Los físicos han acordado que las afirmaciones sobre un descubrimiento deben tener un nivel de confianza del 99,99995 por ciento, lo que indica una probabilidad del 99,99995 por ciento de que el resultado pueda reproducirse. Los datos para el resultado de DZero se seleccionaron a partir de un femtobarn inverso de datos de colisiones totales, o más de mil millones de eventos del acelerador de partículas Tevatron del Fermilab, un hito que aprovecha las importantes mejoras de luminosidad en el Tevatron. El resultado de DZero también sienta las bases para resultados futuros. Dentro del próximo mes, la colaboración del detector colisionador CDF en Fermilab espera tener un resultado con mayor precisión que el resultado DZero.
"Este no solo es un resultado emocionante, sino que el análisis de un conjunto de datos de un femtobarn inverso representa un hito importante para DZero". dijo el coportavoz de DZero, Jerry Blazey, de la Universidad del Norte de Illinois. "A continuación, los experimentos de Tevatron pueden centrarse en obtener una medición precisa de la mezcla de B_s, lo que nos dirá aún más sobre el curioso mundo subatómico donde las partículas pueden convertirse espontáneamente en sus propias antipartículas y viceversa".
Uno de los mayores misterios del universo es su aparente composición únicamente de materia y no de antimateria. Si la materia y la antimateria se crearon por igual en el momento del Big Bang, la materia y la antimateria deberían haberse aniquilado y convertirse en energía pura. Claramente, esto no sucedió. ¿Cómo sobrevivió nuestro universo de materia? Los experimentos de laboratorio permiten observar ciertas formas de materia oscilando hacia antimateria y viceversa. El estudio de estos procesos puede ayudar a resolver el misterio de la preponderancia de la materia en el universo, y DZero ha logrado importantes avances en esta dirección.
"Felicitamos a DZero por este paso", dijo el coportavoz de la CDF, Rob Roser, de Fermilab. "En CDF esperamos con interés nuestro resultado en una muestra de datos de tamaño similar donde, dada nuestra sensibilidad, esperamos acercarnos aún más a un descubrimiento".
Se puede aprender mucho sobre la naturaleza estudiando las oscilaciones materia-antimateria. En un experimento histórico a mediados de la década de 1980, se observó que un tipo diferente de mesón (mesones B_d neutros, un antiquark b y un quark d) oscilaba a un ritmo mucho más alto que las predicciones teóricas del día. Pronto se comprendió que esto era evidencia de la existencia del quark top con una masa mucho mayor de lo esperado, como lo confirmó posteriormente su descubrimiento en el Tevatron en 1995 por las colaboraciones de DZero y CDF. El límite DZero de la oscilación de B_s es casi cuarenta veces más rápido que la oscilación del mesón B_d. Los teóricos creen que los B_s pueden mostrar sensibilidades a partículas supersimétricas masivas, de la misma manera que los B_d mostraron sensibilidades al quark top masivo, aunque este resultado no parece ser concluyente.
"Muchos modelos teóricos de supersimetría predicen una oscilación mucho más rápida de los mesones B_s de lo que ha informado DZero y, por lo tanto, los nuevos datos los desfavorecen", dijo el teórico del Fermilab Joseph Lykken, que no es miembro del experimento. “Otros enfoques de la supersimetría sugieren efectos más pequeños; Estos pueden observarse con más datos, combinados con búsquedas mejoradas por parte de DZero y CDF de desintegraciones raras de los mesones B_s”.
La investigación de la mezcla de B_s es una de las muchas misiones en curso de los científicos del Fermilab durante el Collider Run II del Tevatron. Otros incluyen el bosón de Higgs, postulado como la fuente de masa en el universo; producción de un solo quark superior, aislando el quark más masivo, que hasta ahora sólo se ha observado que existe en pares; y Nuevos Fenómenos, como nuevas dimensiones o supersimetría.
Un mesón, como el B_s, es una partícula inusual compuesta de materia y antimateria: un quark y un antiquark. El mesón neutro B_s está compuesto por un antiquark inferior (o “B”) y un quark extraño (“s”). La aniquilación de la materia y la antimateria no es un acontecimiento universal; La aniquilación se produce cuando una partícula se encuentra con su correspondiente antipartícula, y ambas desaparecen.
Si bien se sabe que el mesón neutro B_s (antiquark b y quark s) oscila entre materia y antimateria, ha resultado difícil precisar los detalles. La teoría actual de la materia sugiere que los mesones B_s oscilan mucho más rápido que los mesones B_d (anti-quark inferior más un quark abajo); en consecuencia, sus oscilaciones son muy difíciles de detectar. Casi todos los mesones B_s se convierten en antimesones en una fracción de una billonésima de segundo. Medir la frecuencia de oscilación es de suma importancia, ya que una desviación de las predicciones podría indicar alguna nueva fuerza o interacción inesperada acechando a la vuelta de la esquina. El experimento DZero ha hecho ahora una contribución importante a esta búsqueda y a la comprensión de la oscilación de la materia, al establecer el primer intervalo de confianza directo en la frecuencia de las oscilaciones del mesón B_s con la antimateria.
DZero es un experimento internacional de 700 físicos de 90 instituciones y 20 países. Fermilab es un laboratorio nacional de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía operado bajo contrato por Universities Research Association, Inc.