MADRID, 5 Feb. (EUROPA PRESS) -
Un experimento reciente llevado a cabo en el laboratorio 'Thomas Jefferson National Accelerator Facility'' (Jefferson Lab) del Departamento de Energía de Esados Unidos para estudiar un raro ejemplo de ruptura de la simetría en la dispersión electrón-quark ha proporcionado una nueva determinación de una propiedad intrínseca de los quarks, los bloques de construcción de los protones y neutrones, que es cinco veces más precisa que la medición anterior.
El resultado también establece nuevos límites, de manera complementaria, a los colisionadores de alta energía, como el Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en inglés), para las energías a las que necesitarían acceder los físicos más allá del Modelo Estándar.
El Modelo Estándar es una teoría bien probada que, excluyendo la gravedad, describe las partículas subatómicas y sus interacciones, y los físicos creen que mirar más allá del Modelo Estándar puede ayudar a resolver muchas preguntas sin respuesta acerca de los orígenes y el marco básico de nuestro universo.
El experimento, que está programado para su publicación en la edición de este jueves de 'Nature', probó propiedades de la simetría especular o simetría de espejo de los quarks. En la simetría especular, las características de un objeto se establecen, incluso si se da la vuelta al objeto, como si estuviera reflejado en un espejo.
La simetría especular de los quarks se puede probar al medir sus interacciones con otras partículas a través de las fuerzas fundamentales. Tres de las cuatro fuerzas que median las interacciones de los quarks con otras partículas, la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza fuerte, son simetría especular.
Sin embargo, la fuerza débil, la cuarta fuerza, no lo es, lo que significa que las características intrínsecas de los quarks que determinan la forma en que interactúan a través de la fuerza débil (llamada acoplamientos débiles) son diferentes de, por ejemplo, la carga eléctrica de la fuerza electromagnética, la carga de color de la fuerza fuerte y la masa de la gravedad.
En Jefferson Lab, los investigadores midieron la ruptura de la simetría de espejo de los quarks a través del proceso de dispersión profundamente inelástica. Se envió un haz de 6.067 GeV de electrones en los núcleos de deuterio, los núcleos de un isótopo del hidrógeno que contienen un neutrón y un protón cada uno y, por lo tanto, un número igual de quarks arriba y abajo.
"Cuando hay dispersión profundamente inelástica, el impulso realizado por el electrón va dentro del nucleón y la rompe en pedazos", explica Xiaochao Zheng, profesor asociado de Física en la Universidad de Virginia, Estados Unidos, y portavoz de la colaboración que llevó a cabo el experimento.
Para producir el efecto de visualización de los quarks a través de un espejo, se estableció la mitad de los electrones enviados en el deuterio para girar a lo largo de la dirección de su recorrido (como un tornillo a la derecha) y la otra mitad, en la dirección opuesta. Se identificaron en dos espectrómetros de alta resolución cerca de 170.000 millones de electrones que se comunicaron con los quarks en el núcleo a través de la electromagnética y las fuerzas débiles durante un periodo de dos meses de funcionamiento.
"Esto se llama una medida inclusiva, pero eso significa que mide únicamente los electrones dispersos. Así, utilizamos dos espectrómetros, pero cada uno de los electrones se detectan de forma independiente del otro. La parte difícil es identificar los electrones tan rápido como vienen", desgrana Zheng.
Los científicos encontraron una asimetría, o diferencia, en el número de electrones que interactúan con la diana cuando se hace girar en una dirección contra la otra. Esta asimetría es debida a la fuerza débil entre el electrón y los quarks en el objetivo. La fuerza débil experimentada por quarks tiene dos componentes: uno de ellos es análogo a la carga eléctrica y se ha medido bien en experimentos anteriores, mientras el otro, relacionado con el giro del quark, ha sido claramente aislado por primera vez en el experimento de Jefferson Lab.
En concreto, el presente resultado llevó a la determinación efectiva de la débil combinación de acoplamiento electrón-quark 2C2u-C2d, que es cinco veces más precisa que la previamente determinada. Este acoplamiento particular describe cuánta parte de la ruptura de la simetría especular en la interacción electrón-quark se origina del giro preferente en la débil interacción. El resultado es el primero en demostrar que esta combinación no es cero, según lo predicho por el Modelo Estándar.
El último experimento para acceder a esta combinación de acoplamiento fue E122 en 'Stanford Linear Accelerator Center' del Departamento de Energía. Se utilizaron datos de ese experimento para establecer la nueva teoría del Modelo Estándar de hace más de 30 años.
La buena concordancia entre el nuevo resultado 2C2u-C2d y el Modelo Estándar indica que los experimentadores deben alcanzar límites más altos de la energía con el fin de encontrar nuevas interacciones potencialmente más allá del Modelo Estándar con respecto a la violación de la simetría de espejo, debido a la rotación de los quarks. Los nuevos límites, 5,8 TeV y 4,6 TeV, están al alcance de la Gran Colisionador de Hadrones del CERN, pero con la función de giro que proporciona este experimento no se pueden identificar limpiamente en experimentos de colisionador.
