El llamado Modelo Estándar de la Física es la teoría más aceptada de la física moderna y su capacidad de predicción es impresionante: relaciona a tres fuerzas fundamentales y dos grandes grupos de partículas llamadas quarks y leptones.
Debido a sus predicciones de los quarks pesados y, el más importante, el del Bosón de Higgs, el Modelo Estándar ha sido motivo de orgullo.
De hecho hasta ahora casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el Modelo Estándar —nuclear fuerte, electromagnética y nuclear débil— están de acuerdo con sus pronósticos.
Sin embargo el modelo no explica la cuarta fuerza, la gravedad: la relatividad general, que describe el campo gravitatorio, no termina de encajar con los modelos matemáticos del mundo cuántico.
Grieta
A pesar de que el Modelo Estándar parece no tener fallas diversos experimentos muestran ahora algunas grietas. Tanto el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) como el acelerador japonés KEKB en experimentos independientes observan que la desintegración de ciertas partículas conocidas como mesones B no parece ajustarse a las predicciones del Modelo Estándar.
En caso de confirmarse tales anomalías supondrían un cambio de paradigma en la física fundamental.
Por ello el reciente anuncio de un experimento con el LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) dio el último aviso sobre un error en el fuerte andamiaje del Modelo Estándar que podría dar luces de nuevos descubrimientos.
Cabe recordar que el experimento LHCb se dedica a estudiar partículas compuestas llamadas mesones, pero en especial las que tienen quarks bottom, también llamados beauty o belleza —por eso la b en el nombre de LHCb. Estas partículas se producen por millones en las colisiones de protones que realiza el anillo colisionador de 27 kilómetros de longitud que conforma el LHC.
Según el Modelo Estándar los quarks belleza o quarks de fondo deberían descomponerse en cantidades iguales de electrones y muones (partículas pertenecientes a la segunda generación de leptones) cuando son sometidas a un proceso de desintegración.
Jairo Alexis Rodríguez, profesor titular del departamento de Física de la Universidad Nacional de Colombia, explica: “El experimento busca en especial la desintegración de mesones B en otros mesones, más dos leptones. O sea, busca ver la forma como estos mesones terminan en leptones. Hay tres tipos de leptones: electrones, muones y tau. Aquí se buscaban electrones y muones en estados finales”.
Según el Modelo Estándar estas desintegraciones deben ocurrir con la misma frecuencia, una propiedad que se conoce con el nombre de “Universalidad del sabor leptónico” (los electrones y los muones son de hecho ambos leptones pero de diferente “sabor”).
El nuevo análisis indica en cambio que estas dos desintegraciones no ocurren a la misma velocidad; en particular parece que los mesones B prefieren la desintegración en electrones en lugar de en muones.
Los muones, agrega Rodríguez, son idénticos a los electrones, excepto por su masa, que es mucho mayor. El Modelo Estándar predice que la desintegración de los mesones en electrones ocurre a la misma tasa que la desintegración en muones. Es decir, continúa el experto, no importa si hay estado final, electrón o muon, es lo mismo en el Modelo Estándar.
Pero el nuevo resultado anunciado indica que no es así, que la naturaleza parece preferir la desintegración en electrones que en muones; es decir, no se cumple la Universalidad leptónica, pieza clave del Modelo Estándar. Esto parece indicar que se está ante la primera gran falla del Modelo Estándar de partículas y por eso la importancia de este anuncio, finaliza Rodríguez.
Nueva Física
Los físicos ya alistan las posibles opciones que podrían explicar este nuevo fenómeno, entre estas una nueva fuerza fundamental o quizás un nuevo tipo de partículas responsables de este comportamiento.
Es decir, el comportamiento inesperado o anomalía registrada en el quark belleza podría ser resultado de su interacción con otra partícula subatómica desconocida que ejerce sobre esa partícula una fuerza imprecisa.
“Si se confirmara una violación de la Universalidad del sabor de los leptones implicaría un nuevo proceso físico, como la existencia de nuevas partículas o interacciones fundamentales”, expone el profesor Chris Parkes, de la Universidad de Manchester, en un comunicado.
La desviación obtenida en este experimento es consistente con un patrón de anomalías medidas en procesos similares por el LHCb y otros experimentos a nivel internacional durante la última década, lo que refuerza la certeza de la anomalía obtenida en este registro.
Asimismo los nuevos resultados añaden la proporción de probabilidades de desintegración con mucha mayor precisión que las mediciones anteriores y, por primera vez, utilizan todos los datos recopilados por el detector LHCb hasta ahora.
Según estos registros la probabilidad de que los datos obtenidos sean compatibles con las predicciones del Modelo Estándar son de alrededor de 0.1%. Esto significa que la probabilidad de que el resultado sea una casualidad es de aproximadamente de una entre mil.
Aunque se toma con cautela el resultado obtenido también se considera suficientemente convincente y que la fuerza que influye en los quarks belleza podría explicar el patrón peculiar de las masas de las diferentes partículas de materia.
Con el experimento LHCb la comunidad científica espera comenzar a reunir nuevos datos sobre este comportamiento del quark belleza el próximo año. De confirmarse el resultado podría ser uno de los mayores descubrimientos recientes en Física.
RECUADRO
Anomalías en la física del sabor
En el Modelo Estándar se pueden encontrar diferentes tipos de partículas. De entre ellas los fermiones son los ladrillos constituyentes de la materia. Curiosamente, y aunque se desconoce la razón fundamental para ello, existen tres copias de cada fermión, siendo la masa la única diferencia entre ellas. Esto permite agrupar los fermiones del Modelo Estándar en tres “sabores” o “generaciones”, términos que los físicos han introducido para designar a cada una de las tres copias. Por ejemplo el electrón, un fermión con carga eléctrica negativa y que no participa en las interacciones fuertes, cuenta con dos hermanos más pesados: el muon y el tau. La masa del electrón es de unos 511 keV (kiloelectronvoltio) mientras que la del muon es de 106 MeV (megaelectronvoltio) y la del tau de unos 1.8 GeV (gigaelectronvoltio). No obstante el resto de sus propiedades son exactamente iguales. Como la única diferencia entre los fermiones de diferentes generaciones es la masa, no es posible distinguir entre unos sabores u otros en aquellos procesos físicos en los que la masa no juegue un papel relevante. Esta propiedad fundamental del Modelo Estándar se conoce como universalidad. En particular, en el caso del electrón, el muon y el tau se suele hablar de Universalidad leptónica ya que a estas tres partículas se las conoce como leptones.
Fuente: IFIC