Hace ya algún tiempo que os puse aquí mismo la primera parte del  artículo publicado en la Revista de Física de la RSEF, os pongo el comienzo de aquella primera parte y el final, así, recordareis.

Un magnífico artículo de Don Alberto Ruiz Jimeno, miembro del Grupo de Altas Energías del Instituto de Física Moderna Universidad de Cantabria y Jefe del Grupo de Altas Energías. En él nos dice que:

Nuevos bariones constituidos por tres Quarks, como los protones, pero conteniendo el quarks b (“belleza”) han sido observado en el experimento CDF del Acelerador del Tevatrón de protones y antiprotones. Por otra parte (nos dice), se ha observado por primera vez la oscilación de los mesones B, entre materia y antimateria. Dado que el artículo puede tener un alto interés para ustedes, he creído positivo transcribirlo aquí para gozo del personal que, con estos nuevos conocimientos (como me pasó a mí), podrán aumentar los suyos.

La física de partículas elementales tiene por objeto el estudio de los constituyentes más elementales de la materia y de las fuerzas fundamentales que rigen su comportamiento. La dinámica de estos bloques fundamentales viene formulada por la mecánica cuántica relativista.

Terminaba esta primera parte así:

El Modelo Estándar ha sido comprobado desde su desarrollo formal, a mediados de 1960, y sus parámetros han sido medidos con extraordinaria precisión, gracias al desarrollo de experimentos muy potentes, entre los que destacan los realizados en el acelerador LEP (“Large Electrón Positrón”) del CERN (Centro Europeo de Física de Partículas, en Ginebra), durante la última década del siglo XX, y del Tevatrón del Laboratorio Fermilab (Chicago, USA), aún en funcionamiento.

A continuación viene una referencia al LHC que, a estas alturas está sobrepasada por conocer todos nosotros lo que pasó en su inauguración y sus primeras pruebas. Así que, no parece oportuno plasmar aquí esa referencia que conoceremos de primera mano a medida que se produzcan los nuevos acontecimientos.

Sigue…

Comienza la segunda parte.

                                    Obtienen la mejor medida hasta la fecha del Bosón W

El experimento CDF (“Collider Detector at Fermilab”) es uno de los experimentos que estaban operando en el acelerador Tevatrón, un acelerador de protones y antiprotones que circulan en dirección opuesta, a energías en centro de masas de casi 2 Tera-electrón-voltios (TeV) (1 TeV es, aproximadamente, mil veces la masa de 1 protón).

El complejo de aceleradores de Fermilab consta de varias etapas. En primer lugar, un pre-acelerador de tipo Cockcroft-Walton en el que el gas hidrógeno ionizado negativamente (1 protón y dos electrones) es acelerado mediante un potencial eléctrico, hasta una energía de 750 mil electrón-voltios (KeV). Después, un acelerador lineal, el Linac, de 150 metros de longitud, acelera los iones hasta 400 Mega-electrón-voltios (MeV). Para ello utiliza un campo eléctrico oscilante en cavidades de radiofrecuencia. Además los agrupa en paquetes compactos.

Una hoja de carbón elimina los electrones y permite el paso de los protones hasta el Booster, un acelerador sincrotrón circular de 74,5 metros de diámetro, donde alcanza la energía de 8 Gigaelectrón-voltios (GeV), tras recorrer su circunferencia unas 20000 veces. También utiliza cavidades de radiofrecuencias.

En la siguiente etapa los protones entran en el “Main Injector”, un sincrotrón circular de 3 Km. de longitud que los acelera hasta 150 GeV mediante sus cavidades de radiofrecuencia… En este anillo, parte de los protones, que han alcanzado los 120 GeV, son desviados hasta un blanco de níquel, donde se producen muchas partículas, antiprotones entre ellas. Estos son recogidos en un anillo acumulador y transferido al “Main Injector” cuando son suficientemente numerosos, donde alcanzan la energía de 150 GeV.

En la última etapa, grupos de 36 paquetes de aproximadamente trescientos mil millones de protones por cada paquete y otros tantos paquetes de aproximadamente cien mil millones de antiprotones de 150 GeV son transferidos al Tevatrón, un anillo circular de 1 Km. de radio, constituido por imanes dipolares superconductores, quadrupolos, sextupolos y cavidades superconductoras de radiofrecuencia, donde los haces alcanzan la energía final de 1 Teraelectrón-voltio (TeV) y se cruzan en dos puntos de colisión, , donde están instalados dos experimentos, D0 y CDF.

El Tevatrón es el Acelerador de Hadrones más potente en la actualidad. El LHC será un orden de magnitud más potente en energía y aproximadamente dos órdenes de magnitud mayor en luminosidad: la luminosidad es una propiedad de los aceleradores proporcional al número de colisiones por unidad de tiempo. La luminosidad instantánea correspondiente a una inyección de haces de partículas colisionantes en el acelerador van decreciendo con el tiempo hasta que es suficientemente baja como para que valga la pena inyectar nuevos haces; la luminosidad integrada en el tiempo es lo que define la capacidad del acelerador para poder observar suficiente número de sucesos de interés, una vez que la energía de los haces sea suficiente para que pueda producirse dichos sucesos.

El experimento CDF es un complejo sistema de detección constituido, de dentro hacia fuera, por un sistema de detección de vértices basado en semiconductores de silicio; una cámara de barrido para la reconstrucción de las trayectorias de partículas y medidas de su momento, que mide, asimismo, la ionización de las partículas cargadas; un detector de tiempo de vuelo, para identificación y medida de la masa; un selenoide superconductor de 5 metros de longitud, que provee de un campo magnético axial de 1,4 Teslas; un calorímetro electromagnético, seguido de un calorímetro hadrónico, que miden la energía de las partículas que lo atraviesan; y un sistema de cámaras de muones para la identificación de los mismos.

El experimento posee un sistema de selección “on-line” de los sucesos, altamente eficaz, que incluye, por primera vez en experimentos de colisionadores hadrónicos, un sistema de detección de trazas desplazadas, características en los procesos de desintegración de hadrones quark b. De este modo, mesones y bariones con contenido b pueden separarse, a tiempo de colisión, de sucesos con contenido exclusivo de quarks ligeros, tres órdenes de magnitud más frecuentes.

                                                        Imagen cortesía del Fermilab

El detector CDF tiene un tamaño equivalente a una casa de tres pisos y pesa, aproximadamente, 6000 toneladas. Está colocado en una de las dos zonas de interacción de los haces de protones y antiprotones del acelerador Tevatrón, del laboratorio Fermilab, que es, el acelerador más potente del mundo.

Oscilación materia-antimateria

Una de las principales actividades del CDF está ligada a la observación del comportamiento de los hadrones en cuya composición hay un quark de valencia de tipo b (el quark b, “belleza” es el segundo quark más pesado, después del quark t, “cima”, que fue descubierto por la colaboración CDF en 1995). En particular, la observación de la oscilación de los denominados mesones B, y el descubrimiento de nuevos bariones, predichos por el modelo estándar, han constituido dos de los mayores logros de la Colaboración científica, hitos muy importantes en el avance del conocimiento de la estructura fundamental de la materia.

Los mesones B, están compuestos por un quark s y un anti-quark  anti-b. En realidad, y debido a la interacción electro-débil, los mesones B_s comparten, durante su corta vida, la doble esencia B_s, y anti-Bs (mesón compuesto por un quark y un anti-quark anti-s). Este curioso fenómeno es una consecuencia de las leyes de la mecánica cuántica del Modelo Estándar y se denomina “oscilación”. Ciertamente, en este caso, materia y antimateria coexisten en una “danza sutil”. Solamente en el momento de su producción y de su desintegración ambas esencias son manifiestas, de modo que en las colisiones de CDF pueden producirse bien mesones B_s o anti-B_s, los cuales se desintegran tras poco más de una billonésima de segundo en una de las dos esencias. Durante esa corta vida coexisten ambas formas, y la probabilidad de que la desintegración sea de una u de otra forma viene determinada por una función oscilatoria muy bien predicha por el Modelo Estándar. La frecuencia de oscilación es tal que podríamos decir que los mesones Bs oscilan entre partícula y antipartícula unas cuatro veces durante su vida, del orden de 3 billones de veces por segundo.

El proceso consiste en que en el punto de colisión de protones y antiprotones se produce un par de quark b y anti-b. Estos quarks no pueden vivir aislados y se “hadronizan” en forma de mesones o bariones. En algunos casos, el 10% aproximadamente, el hadrón producido tiene la estructura b anti-s, y es por tanto un anti-B_s. También puede ser un anti-b s, es decir, un B_s.

Si, por ejemplo, el quark anti-b se hadroniza como B_s, decimos que se ha producido una señal de B_s. En el lado opuesto a la señal, el quark b se hadroniza de forma diversa. Si analizamos esta parte opuesta a la señal, podemos deducir que es debida a un quark b y, en consecuencia, en el lado de la señal se produjo un quark anti-b.

El mesón B_s producido puede recorrer algunos milímetros antes de desintegrarse en otros hadrones. Pero durante su corta vida oscila entre las esencias de mesón B_s y su antipartícula anti-B_s, compartiendo ambas. Cuando se desintegra en otros hadrones, se manifiesta una de las dos esencias, lo que podemos deducir a partir de los productos de desintegración.

La propiedad por la cual un mesón B_s y su correspondiente anti-B_s comparten ambas esencias durante su corta vida es debido a la interacción electrodébil, por el acoplamiento de los quarks con los bosones de interacción W (esto se explica bien con los diagramas de Feynman que intervienen en este proceso). En estos acoplamientos interviene el quark t. Los parámetros de acoplo, están relacionados con la probabilidad de que se produzcan los procesos indicados.

La observación de esta oscilación de materia-antimateria no es única. La primera predicción teórica de la existencia de oscilaciones en hadrones neutros se realizó hace más de cincuenta años, por Murray Gell-Mann y Abraham Pais. Las primeras propuestas experimentales en mesones ligeros, como los Kaones neutros, fueron hechas por el propio A. Pais y Orestes Piccioni, en 1955. Los primeros indicios de la existencia de oscilaciones en mesones neutros se obtuvieron, en 1956, por K. Landé y sus colaboradores, en el Cosmotrón del Laboratorio Nacional de Brookhaven, y fueron definitivamente confirmadas por W.F. Fry y sus colaboradores, en 1956, en el Bevatrón del Laboratorio Lawrence Berkeley, en California.

Posteriormente se observó una indicación de oscilaciones en los mesones B_d (estructura anti-B_d), en el experimento UAI del CERN, en 1987, que fueron confirmados muy pronto por los experimentos ARGUS del Laboratorio DESY de Hamburgo y CLEO del laboratorio Cornell, cercano a Nueva York.

Los mesones B_d comparten esta cualidad con los mesones B_s y su frecuencia de oscilación ha sido muy bien medida recientemente, con una precisión del 1%, por los experimentos Babar y Belle (respectivamente, en el Stanford Linear Accelerator Center, SLAC, en california, y en el Laboratorio KEK, en Japón). Lo que hace peculiar a los mesones Bs es su extraordinaria rapidez de oscilación, lo que dificulta extraordinariamente su observación y medida. De hecho, en los últimos veinte años y gracia a los experimentos del LEP en el CERN, del SLC en el Laboratorio SLAC y del propio CDF, solo pudieron obtenerse límites inferiores a la frecuencia de oscilación.

La selección de sucesos con producción de mesones B_s entre la gran cantidad de sucesos que se produce en CDF, tres órdenes de magnitud más copiosos, es ya un gran reto, que CDF resuelve mediante la utilización de un procedimiento complejo. Este incluye una selección “on-line” mediante un dispositivo de “disparo” basado en el hecho de que la vida de los hadrones con quark b producidos en la colisión de protones y antiprotones es tal que, antes de desintegrarse, pueden recorrer en torno a algunos milímetros, lo que permite separar espacialmente su vértice de desintegración del punto de producción. En ello se diferencia del resto de los sucesos típicos, en los que no hay vértices secundarios, cercanos al de la colisión de los haces, correspondientes a la desintegración de partículas de vida corta. Además la selección es muy rigurosa y se realiza mediante algoritmos que utilizan redes neuronales para separar sucesos de interés (señal) del resto (ruido).

Una vez hecha la selección se requiere determinar muy bien si se ha producido como partícula o antipartícula y se ha desintegrado como una de ellas, así como medir con muchísima precisión el tiempo de vida del hadrón. Finalmente, un complejo método de ajuste permite determinar con gran precisión la frecuencia de oscilación y la probabilidad de que la observación sea debido a señales reales y no a una mera fluctuación estadística.

El experimento CDF contiene un sistema de “disparo” pionero en los experimentos de colisionadores que permitió la selección “online”, y un sistema de reconstrucción de trazas de partículas cargadas y vértices de producción y desintegración, extremadamente impreciso, que permitía medir el tiempo de vida de los mesones B_s o anti-B_s con precisiones un orden de magnitud mejores que el propio tiempo de vida. Asimismo contiene un sistema de identificación de partículas cargadas llamado TOF, basado en el tiempo de recorrido de las mismas, desde su producción en el punto de colisión protón-antiprotón hasta su detección en dicho sistema, que, combinado con la medida de la ionización de dichas partículas en la cámara de reconstrucción  de trazas, permite medir la masa de las mismas. Esta información es muy válida para “etiquetar” el sabor del mesón (por sabor entendemos que esté compuesto de un b o un anti-b).

Los dos experimentos del Tevatrón de Fermilab, el propio CDF y D0, anunciaron, a mediados de 2006, la posible existencia de oscilaciones en mesones B_s. La colaboración D0 anunciaba que el mesón oscilaba con una frecuencia comprendida entre 2,7 y 3,3 billones de veces por segundo, con un nivel de confianza del 90%. Por su lado, CDF anunciaba que la frecuencia de oscilación estaba entre 2,7 y 2,8 billones de veces por segundo, con un nivel de confianza del 99,8%. Inmediatamente, la colaboración CDF comenzó un estudio sistemático mejorado, incluyendo un número mayor de canales de desintegración, una selección más eficaz de la señal y un rechazo optimizado del ruido de fondo, así como un procedimiento de análisis del sabor del quark en el punto de producción, que incluía tanto las observaciones en el lado opuesto a la producción de la señal, como las del lado de la señal. De hecho, en colisiones de protones y antiprotones del Tevatrón se producen pares de quarks b anti-b, que se hadronizan en mesones o bariones con “belleza” debido a la interacción fuerte nuclear; si uno de los quarks se hadroniza en un mesón Bs o anti Bs, llamamos a este lado “señal” y el sabor del otro hadrón está fijado y puede deducirse de los productos de la desintegración del lado opuesto. Por otra parte, en el lado de la “señal”, el propio mesón B_s o anti B_s suele venir acompañado de un Kaón cargado, siendo el signo de su carga un indicador del sabor de producción en este lado.

Un amplio equipo de investigadores del CDF, incluidos algunos del IFCA, emprendió la tarea de análisis de este proceso que condujeron finalmente a la observación y medida precisa de las oscilaciones de mesones B_s o anti B_s, resultados que fueron publicados en la revista científica Physical Review Letters, en Diciembre de 2006. El resultado observado, de 2,83 billones de veces por segundo, con error inferior al 1% y un nivel de confianza del 99,999992%, era totalmente concordante con las predicciones del modelo estándar y contrarias a la de algunos modelos extendidos. Una vez más, por lo tanto, el modelo estándar era confirmado por los resultados experimentales.

La frecuencia de oscilación entre mesones B_s y anti-B_s ha sido medida por el experimento CDF de Fermilab, observando que la amplitud de la probabilidad de oscilación tiene el valor 1 para un fino intervalo de frecuencias y es compatible con cero en el resto. De este modo se ha observado, por primera vez, que los mesones B_s y anti-B_s oscilan entre sí a una frecuencia cercana a los 3 billones de veces por segundo.

Nuevos bariones:

Nuevas pruebas de que los bariones perdidos se encuentran en la web cósmica

·”Según el telescopio espacial Planck de la ESA, la materia oscura es el 26.8% y la materia bariónica el 4.9% de la densidad total de energía del universo. Aún no sabemos dónde se encuentra entre el 30% y el 40% de dicha materia bariónica. La hipótesis más plausible es que se encuentra en la web cósmica. Hay indicios a favor (como los del telescopio Planck en 2012), pero aún no está resuelto el problema de las bariones perdidos. Se publica en Nature el último indicio a favor de esta hipótesis, gracias a XMM-Newton, el telescopio espacial de rayos X de la ESA. Todo apunta a que dicha hipótesis acabará siendo la respuesta firme al problema, pero aún queda mucho trabajo observacional para que los indicios acaben en evidencia.·”

Fuera de contexto extraído de La Ciencia de la mula Francis

Otra de las predicciones del modelo estándar, basadas en la simetría de las interacciones fuertes es la existencia de nuevos bariones con quarks b en su estructura dinámica, denominados bariones Σb y Ξb. Los bariones se componen de tres quarks, los cuales son de seis tipos o sabores, llamados u, d, s, c, b, t (iniciales inglesas de “arriba”, “abajo”, “extraño”, “encanto”, “belleza” y “cima”), Los bariones Σb son “parientes” exóticos de los bariones que forman los núcleos atómicos, los nucleones protón y neutrón, pues su constitución coincide con aquellos, cuando suplantamos un quark d por un quark b en el caso del neutrón. Son unas seis veces más pesados que los nucleones y su vida media es muy corta, del orden de una billonésima de segundo. Los bariones Ξb se caracterizan porque están constituidos por quarks de las tres familias o generaciones. Su masa es algo superior a los anteriores.

Previamente a la observación de estos bariones por el experimento CDF, otros bariones más ligeros eran ya conocidos. Pero solo un barión con contenido b, el Λb°, había sido ya observado. El experimento CDF buscó los nuevos bariones a partir de las partículas precedentes de su desintegración. La observación exigía un análisis muy fino de la masa invariante de dichos productos de desintegración, tras realizar un complejo filtrado que permitiera destacar la “señal” entre varios cientos de billones de sucesos producidos en las colisiones del Tevatrón.

LOS CUARKS:

Debido a la simetría de la interacción nuclear fuerte, los bariones forman multipletes que permite su clasificación y, además, le da poder predictivo. De hecho, los bariones que tienen la estructura de quarks ligeros u, d, s han sido descubiertos ya. Los que están formados por dos quarks ligeros y un quark b aún no han sido totalmente descubiertos. El experimento CDF ha logrado descubrir tres de ellos, dos de los cuales Sigma-b) están tanto en el estado de spin total J = ½ (estado fundamental) como J = 3/2 (estado excitado). El otro barión descubierto  (Cascada-b) es el primero observado que contiene quarks de las tres familias. Los bariones con dos quark de tipo b y uno ligero, así como los que constan de tres quarks b, aún no han sido descubiertos.

El resultado de CDF fue de unos cien bariones Σb⁺ y otros tantos Σb^–, en cada caso en dos combinaciones posibles de spin, correspondientes al estado fundamental y un estado excitado. En cuanto a los bariones Ξb^–, también observados por el experimento D0, solo una veintena de ellos fue seleccionada.

Exactamente eso es lo que predice la teoría, el Modelo Estándar de las interacciones fuertes entre los quarks. Como el quark b es mucho más pesado que los otros dos, una aproximación teórica denominada “Teoría Efectiva de Quarks Pesados” modela el barión de modo que el quark pesado produce un campo estático de “color” que está rodeado por una nube debida a los otros quarks ligeros. Las propiedades del barión vienen determinadas, esencialmente,  por la configuración del diquark ligero. El experimento CDF corrobora las predicciones del modelo; la observación de los nuevos bariones y la medida de su masa, con precisión del orden del o,o5% ha supuesto un gran avance en la comprensión de los mecanismos de interacción de los hadrones. Aún quedan muchos bariones, predichos por la teoría, sin descubrir. Los nuevos bariones rellenan algunas de las casillas de la nueva tabla clasificatoria de los hadrones.

La teoría predice la existencia de muchos más bariones, por ejemplo, aquellos en cuya estructura se muestra también el quark c.

Futuros análisis, con mayor estadística de sucesos, conducirán, eventualmente, a la observación de nuevos bariones.

Los dos analizados en el experimento CDF, para obtener estos resultados, son menos de la mitad de los datos actualmente acumulados y una octava parte, aproximadamente, de los datos que se espera almacenar hasta el final de la toma de datos del experimento, prevista para el año 2010. La investigación con mayor estadística permitirá descubrir nuevos bariones y medir sus propiedades, así como estudiar en mayor profundidad la diferencia de comportamiento entre materia y antimateria. El futuro dirá si los resultados se corresponden con las predicciones del Modelo Estándar o si hay indicios de nueva Física y, en tal caso, ayudará a definir cuál pueda ser la dirección a seguir para continuar profundizando en la estructura íntima de la materia y de sus interacciones fundamentales. Los experimentos del nuevo acelerador LHC del CERN tomarán, entonces, el testigo en esta incesante carrera para descubrir los misterios íntimos de la Naturaleza.

                           Para saber de lo muy pequeño, se necesitan energías muy grandes

Por mi cuenta añadiré que, el alcance de todos estos conocimientos que nos lleva a las entrañas de la materia, sólo son posibles gracias a la Física de Altas Energías, es decir, para encontrar lo muy pequeño, necesitamos disponer, de lo muy grande: grandes presupuestos, grandes equipos de científicos muy bien cualificados, grandes instalaciones y sofisticadas máquinas de las más altas tecnologías, y, sobre todo, disponer de enormes energías que es el parámetro que, finalmente, nos permite llegar a lo más profundo.

Tanto es así que, la Teoría de cuerdas no puede ser verificada experimentalmente por no disponer, en estos tiempos, la energía necesaria para poder llegar hasta ellas (las cuerdas vibrantes que, según dicen, podrían ser los componentes últimos de la materia).

Espero que os guste.

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