Los físicos de la Southern Methodist University, Dallas, han logrado una nueva medición precisa de una partícula subatómica clave, abriendo la puerta para comprender mejor algunos de los misterios más profundos de nuestro universo.
Los investigadores calcularon la nueva medición para una característica crítica - masa - del quark top.
Los Quarks forman los protones y neutrones que comprenden casi toda la materia visible. Los físicos han sabido que la masa del quark top era grande, pero se han encontrado grandes dificultades para tratar de determinarla claramente.
La medición recién calculada del quark top ayudará a guiar a los físicos en la formulación de nuevas teorías, dijo Robert Kehoe, profesor del Departamento de Física de SMU. Kehoe dirige el grupo de SMU que realizó la medición.
La masa del quark superior importa en última instancia porque la partícula es una sonda altamente sensible y una herramienta clave para evaluar teorías competitivas sobre la naturaleza de la materia y el destino del universo.
Los físicos durante dos décadas han trabajado para mejorar la medición de la masa del quark top y reducir su valor.
"Top" se refiere a la partícula fundamental más nueva, el bosón de Higgs
El nuevo valor de SMU confirma la validez de las mediciones recientes de otros físicos, dijo Kehoe.
Pero también agrega una creciente incertidumbre sobre aspectos del Modelo Estándar de física.
El modelo estándar es la colección de teorías que los físicos han derivado, y revisan continuamente para explicar el universo y cómo los bloques de construcción más pequeños de nuestro universo interactúan entre sí. Los problemas con el modelo estándar aún no se han resuelto. Por ejemplo, la gravedad aún no se ha integrado con éxito en el marco.
El Modelo Estándar sostiene que el quark top, conocido familiarmente como "top", es central en dos de las cuatro fuerzas fundamentales de nuestro universo: la fuerza de electrodepresión, por la cual las partículas ganan masa, y la fuerza fuerte, quegobierna cómo interactúan los quarks. La fuerza de electroválvula gobierna fenómenos comunes como la luz, la electricidad y el magnetismo. La fuerza fuerte gobierna los núcleos atómicos y su estructura, además de las partículas que componen los quarks, como los protones y los neutrones en el núcleo.
La parte superior juega un papel con la partícula fundamental más nueva en física, el bosón de Higgs, para ver si la teoría de la electroválvula retiene el agua.
Algunos científicos piensan que el quark top puede ser especial porque su masa puede verificar o poner en peligro la teoría de electroválvulas. Si se pone en peligro, eso abre la puerta a lo que los físicos denominan "nueva física": teorías sobre partículas y nuestro universo que van más alláel modelo estándar
Otros científicos teorizan que el quark top también podría ser clave para la unificación de las interacciones electromagnéticas y débiles de protones, neutrones y quarks.
Además, como el único quark que se puede observar directamente, el quark superior prueba la teoría de fuerza fuerte del Modelo Estándar.
"Entonces, el quark top realmente está impulsando ambas teorías", dijo Kehoe. "La masa superior es particularmente interesante porque su medición está llegando al punto en el que estamos empujando incluso más allá del nivel que los teóricos entienden".
Añadió: "Nuestros errores experimentales, o incertidumbres, son tan pequeños que realmente obliga a los teóricos a esforzarse por comprender el impacto de la masa del quark. Necesitamos observar a los Higgs interactuando directamente con la parte superior y necesitamos medirambas partículas con mayor precisión "
Los nuevos resultados de las mediciones se presentaron en agosto y septiembre en la Tercera Conferencia Anual sobre Física del Gran Colisionador de Hadrones, San Petersburgo, Rusia, y en el 8º Taller Internacional sobre Física Top Quark, Ischia, Italia.
"La percepción pública, con el descubrimiento del Higgs, es 'Ok, está hecho'", dijo Kehoe. "Pero no está hecho. Esto es realmente solo el comienzo y el quark superior es una herramienta clave para descubrir los desaparecidospiezas del rompecabezas "
Los resultados se hicieron públicos por DZero, un experimento colaborativo de más de 500 físicos de todo el mundo. La medición se describe en "Medición precisa de la masa del quark top en decaimientos de dileptones con ponderación de neutrinos optimizada" y está disponible en línea en arxiv.org/abs/1508.03322 .
la medición SMU alcanza un sorprendente nivel de precisión
Para reducir la medición del quark top, el investigador doctoral de SMU Huanzhao Liu adoptó una metodología estándar para medir el quark top y mejoró la precisión de algunos parámetros. También mejoró la calibración de un análisis de los datos del quark top.
"Liu logró un sorprendente nivel de precisión", dijo Kehoe. "Y su nuevo método para optimizar el análisis también es aplicable a los análisis de otros datos de partículas además del quark top, haciendo que la metodología sea útil dentro del campo de la física de partículas en su conjunto"
La optimización SMU podría usarse para comprender con mayor precisión el bosón de Higgs, lo que explica por qué la materia tiene masa, dijo Liu.
El Higgs se observó por primera vez en 2012, y los físicos desean comprender su naturaleza.
"Esta metodología tiene sus ventajas, incluida la comprensión de las interacciones de Higgs con otras partículas, y esperamos que otros la usen", dijo Liu. "Con ella logramos una mejora del 20 por ciento en la medición. Así es como lo pienso".yo mismo: a todos les gusta un iPhone de $ 199 con contrato. Si algún día Apple nos dice que reducirán el precio en un 20 por ciento, ¿cómo nos sentiríamos todos para obtener el precio más bajo? "
Otra optimización empleada por Liu mejoró la precisión de calibración en cuatro veces, dijo Kehoe.
Ducha de los quarks superiores después del Big Bang
Los quarks superiores, que rara vez ocurren ahora, eran mucho más comunes justo después del Big Bang hace 13.800 millones de años. Sin embargo, la parte superior es el único quark, de seis tipos diferentes, que se puede observar directamente. Por esa razón, los físicos experimentales se centransobre las características de los quarks superiores para comprender mejor los quarks en la materia cotidiana.
Para estudiar la parte superior, los físicos los generan en aceleradores de partículas, como el Tevatron, un potente acelerador de partículas del Departamento de Energía de los EE. UU. Operado por el Laboratorio Nacional Fermi en Illinois, o el Gran Colisionador de Hadrones en Suiza, un proyecto de la Organización Europea paraInvestigación Nuclear, CERN.
La medición de SMU se basa en datos recopilados por DZero y que se produjeron a partir de colisiones protón-antiprotón en Tevatron, que Fermilab cerró en 2011.
La nueva medición es la más precisa de su tipo del Tevatron, y es competitiva con mediciones comparables del Gran Colisionador de Hadrones. La masa del quark superior se ha medido con precisión más recientemente, pero existe cierta divergencia de las mediciones. La SMUel resultado favorece el valor promedio mundial actual más que la medición del poseedor del récord mundial actual, también de Fermilab. La aparente discrepancia debe abordarse, dijo Kehoe.
Pregunta crítica: el universo no es necesariamente estable en todas las energías
"La capacidad de medir la masa del quark top con precisión es fortuita porque, junto con la masa del bosón de Higgs, nos dice si el universo es estable o no", dijo Kehoe. "Esa ha surgido como una de las preguntas más importantes de la actualidad."
Un universo estable es uno en un estado de baja energía donde las partículas y las fuerzas interactúan y se comportan de acuerdo con predicciones teóricas para siempre. Eso está en contraste con metaestable o inestable, lo que significa un estado de mayor energía en el que las cosas eventualmente cambian, o cambian repentina e impredeciblemente, y eso podría provocar el colapso del universo. El Higgs y el quark top son los dos parámetros más importantes para determinar una respuesta a esa pregunta, dijo Kehoe.
Las mediciones recientes del Higgs y el quark top indican que describen un universo que no es necesariamente estable en todas las energías.
"Queremos una teoría - Modelo estándar o de otro tipo - que pueda predecir procesos físicos en todas las energías", dijo Kehoe. "Pero las mediciones ahora son tales que parece que podemos estar más allá de la frontera de un universo estable".Somos metaestables, lo que significa que hay un área gris, que es estable en algunas energías, pero no en otras ".
¿Nos enfrentamos a una fatalidad inminente? ¿El universo colapsará?
Esa disparidad entre la teoría y la observación indica que la teoría del Modelo Estándar ha sido superada por nuevas mediciones del Higgs y el quark top.
"Les tomará un poco de trabajo a los teóricos explicar esto", dijo Kehoe, y agregó que es un desafío para los físicos, como lo demuestra su preocupación por la "nueva física" y las posibilidades que crean el Higgs y el quark Top.
"Asistí a dos conferencias recientemente", dijo Kehoe, "y hay una discusión sobre exactamente lo que significa, por lo que podría ser interesante".
¿Entonces estamos en problemas?
"No inmediatamente", dijo Kehoe. "Las energías a las que la metaestabilidad entraría en acción son tan altas que las interacciones de partículas en nuestro universo casi nunca alcanzan ese nivel. En cualquier caso, un universo metaestable probablemente no cambiará por miles de millones de años"
Quark superior - una ventana a otros quarks
Como el único quark que se puede observar, el quark superior aparece y desaparece fugazmente en protones, lo que hace posible que los físicos prueben y definan sus propiedades directamente.
"Para mí son como fuegos artificiales", dijo Liu. "Se disparan hacia el cielo y explotan en pedazos más pequeños, y esos pedazos más pequeños continúan explotando. Eso describe cómo el quark top se descompone en otras partículas".
Al medir las partículas a las que se desintegra el quark top, los científicos capturan una medida del quark top, explicó Liu
Pero el estudio de la parte superior sigue siendo un campo exótico, dijo Kehoe. "Durante años, los quarks superiores fueron tratados como una construcción y no como algo real. Ahora son reales y aún bastante nuevos, y es muy importante que comprendamos sus propiedadescompletamente."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Metodista del Sur . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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