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Comprueban violación de la simetría de paridad en los quarks

Lesli Aide Álvarez Millán
3/oct/2014

Jens Erler del Instituto de Física de la UNAM (IFUNAM) y un grupo de científicos de cerca de diez países, llevaron a cabo un experimento en el “Jefferson Lab”, en Newport News Virginia, que ha permitido medir por primera vez la violación de la paridad en las interacciones débiles de los quarks.

Sus resultados fueron publicados en febrero en la revista Nature, bajo el título “Measurement of parity violation in electron–quark scattering”.

“En nuestra vida diaria, los fenómenos de la naturaleza son idénticos si los observamos directamente, o si observamos su imagen especular; es decir reflejada en un espejo. Por ejemplo, si una cara no se distingue de la imagen que refleja un espejo", dijo Jens Erler. A esta simetría se le conoce como simetría de paridad.

De las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y nuclear débil) la única que no respeta esta simetría es la fuerza nuclear débil. Esto significa que la interacción débil puede distinguir entre algo que está rotando a la derecha o a la izquierda.

Dado que los quarks sienten la interacción débil, una pregunta legítima en física es si los quarks tienen las mismas propiedades al rotar hacia la izquierda o hacia la derecha. Y para responder esta cuestión, un grupo de científicos diseñaron un experimento para analizar el comportamiento de los quarks en relación a la simetría de paridad.


Átomo y su composición. Fuente: http://people.virginia.edu/~xz5y/Research.html

El experimento realizado recientemente en el Jefferson Lab, constituye una extensión de una serie de experimentos que se iniciaron en los años 50. Como resultado de estos experimentos se habían podido corroborar la violación de la paridad para electrones y neutrinos. El reto ahora era extender estos resultados al caso de los quarks.

Para ello se analizó la paridad en la colisiones electrón-quark. La violación de la paridad en dichas colisiones había sido medido en varias ocasiones; sin embargo el nivel de precisión alcanzado sólo permitía identificar las contribuciones debidas a los electrones. “Los quarks producen efectos mucho más pequeños, por eso se necesitaba diseñar un experimento mucho más preciso”, menciona Erler.

El experimento consistió en enviar un haz de electrones de 6,067 GeV (1 Giga electrón volt equivale a mil millones de electrón volts) hacia núcleos de deuterio (un isótopo del hidrógeno con un neutrón y un protón). Se produce entonces un proceso llamado “colisión inelástica profunda” que permite estudiar el interior del nucleón (protón o neutrón). En una colisión inelástica profunda el electrón trasfiere una gran cantidad de energía a los quarks por medio del intercambio de un fotón.

Algunos de los cambios que realizaron los científicos para mejorar los experimentos precedentes fue ampliar el ángulo de colisión logrando con ello una mayor transferencia de energía. Otra mejora consistió en incrementar la luminosidad (número de electrones en el haz). Si hay más colisiones, se puede medir con mejor precisión.

Para probar los efectos de paridad en la interacción de los quarks con los electrones, la mitad de los electrones enviados se programaron para rotar hacia la derecha y la otra mitad hacia la izquierda con respecto a la dirección de incidencia de dirección de movimiento. Las mediciones muestran una clara diferencia en la interacción con el objetivo, dependiendo del sentido de la rotación.

Los investigadores observaron la violación de la paridad con una precisión que mejora los resultados anteriores en cinco ordenes de magnitud. Con ello se pudo corroborar que los acoplamientos electrón-quark cambian si consideramos: no sólo el sentido de rotación de los electrones (izquierda o derecha); sino que se comprobó, por primera ocasión, un efecto similar dependiendo de la orientación de giro de los quarks.

Ahora, los científicos buscan mejorar la precisión, y el laboratorio está mejorando su haz de electrones para incrementar la energía hasta 11GeV que es casi el doble de la energía que usaron en este experimento. Las partículas con grandes masas requieren experimentos particulares y están sometidas a la fuerza nuclear débil. “Si queremos estudiar esta interacción necesitamos ir a altas energías pero la otra opción es ir a alta precisión”, dijo Jens Erler.

Este experimento abre la puerta a una serie de trabajos con mayor precisión, y esto permitirá estudiar partículas hipotéticas con masas mayores. Se planean cuatro experimentos más, tres del mismo laboratorio y uno más en Alemania.

Los resultados obtenidos son muy importantes porque miden por primera vez la violación de la paridad en las interacciones de quarks. Sin embargo hasta ahora están de acuerdo con las predicciones del modelo estándar de las partículas elementales. Los futuros experimentos permitirán no sólo medir con mayor precisión la violación de la paridad sino que podría arrojar luz respecto a nuevos fenómenos, es decir a “física más allá del modelo estándar”.


Parte del equipo que utilizaron en el experimento. Fuente: Jefferson Lab.