Conociendo la Fuerza Nuclear Fuerte: Una de las Cuatro Fuerzas Fundamentales del Universo

En un nuevo trabajo, los físicos de altas energía han observado dos estados cuánticos muy buscados en una familia de partículas subatómicas: los bottomonium. El resultado ayudará a los investigadores a comprender mejor una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo, la fuerza nuclear fuerte, que ayuda a gobernar las interacciones de la materia.

Investigadores de un grupo internacional de investigación en altas energías llamado la “Belle Collaboration”  han observado las partículas hb(hache sub-b), que fueron detectadas por el acelerador de partículas de Japón “KEK” en Tsukuba. La “Belle Collaboration” presentó sus descubrimientos en el 25º Congreso de Física de Partículas que se celebra cada mes de Marzo en La Thuile, Italia.

“Queremos llegar a comprender lo que subyace en la teoría unificadora del todo. Parte de esto consiste en obtener un conocimiento más profundo de la fuerza nuclear fuerte” dice el físico David Asner del Departamento Nacional de Energía del Pacífico Oeste y miembro de la “Belle Collaboration”. “El estudio de estos nuevos estados nos permitirá probar nuevas teorías que describan la fuerza fuerte”.

Señor Mesón

Para estudiar la fuerza fuerte, los investigadores recurren a los quarks, partículas más pequeñas que las piezas individuales de un átomo. De hecho, los quarks se unen para formar protones y neutrones, los componentes del núcleo de un átomo. Además, los quarks pueden también formar mesones, partículas hechas de quarks y su homólogo de antimateria. Y justo como el electromagnetismo ata los electrones al núcleo de un átomo, la fuerza fuerte ata los quarks para formar un protón, neutrón o mesón.

Los mesones que estudian Asner y sus colegas están hecho de quarks fondo (bottom), uno de los seis tipos de quarks. A esta familia de mesones se les llama bottomoniums, están formados por un quark fondo y un anti-quark fondo que giran entre sí en una de las más de una docena de órbitas diferentes, a veces con energía más alta, a veces más baja. Cada órbita corresponde a un estado diferente del bottomonium con sólo dos quarks pero con masas diferentes, gracias a la Teoría de la Relatividad de Einstein.

Los mesones como los bottomonium se hacen y se estudian en unos enormes instrumentos llamados aceleradores, como el KEK en Japón o el Tevatrón en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi en Batavia.  En el acelerador KEK, los electrones chocan a una alta velocidad con sus antipartículas correspondientes, los positrones. Las colisiones crean las partículas bottomonium liberando grandes cantidades de energía, y se deshacen en estados de energías menores que los bottomonium. Es un poco como identificar un modelo de un coche destrozándolo en pedazos y examinando sus piezas.

Los físicos han estado identificando y catalogando estos estados de los bottomonium desde 1977, cuando los investigadores los descubrieron por primera vez.

Fuera del Espín

La “Belle Collaboration”, compuesta por 400 físicos de 14 países diferentes, ha estado impactando electrones y positrones en el KEK de Japón desde hace más de una década. Asner y sus colegas en el PNNL, junto con Todd Pedlar del Instituto Luther en Decorah, se unieron a la “Belle Collaboration” en 2010 y comenzaron a analizar datos recopilados anteriormente, buscando  un cierto tipo de estado del bottomonium llamado espín “siglete”.
Aunque los físicos hablan de “espín”, los quark no están en realidad rotando sobre un eje. En lugar de eso, cuando hablamos de espín nos referimos al magnetismo –el quark y el anti-quark son como pequeñas barras magnéticas con un polo norte y un polo sur. Con un espín singlete, el quark y el anti-quark se comportan como si fueran polos magnéticos, apuntando en direcciones opuestas y cancelándose entre ellos. Sólo un tipo de espín singlete ha sido observado antes, el ηb (eta sub b), por investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en 2008.

El espín singlete ηb tiene el nivel más bajo de energía de todos los estados del bottomonium, y el espín singlete que Asner y sus colegas estaban buscando, hb, tiene una energía sólo un poco mayor.

Los físicos teóricos predijeron que el espín singlete hb aparecería de los restos de uno de los estados de energía más alta del bottomonium, pero sólo una de cada 100 veces que la partícula bottomonium se hiciera pedazos. Además, la partícula de alta energía escupe otras partículas no relacionadas cuando cae en el estado hb. Estos trozos de metralla rebotan alrededor y se golpean unos con otros causando un ruido de fondo.

De la Teoría a la Realidad

Entre la extraña aparición de los estados hb y el alto ruido de fondo, el equipo de análisis tuvo que filtrar grandes cantidades de datos para encontrar su aguja en el pajar. El equipo, incluido el grupo de Asner y dos científicos rusos, Roman Mizuk del  Instituto Física Teórica y Experimental  de Moscú y Alexander Bondar del Instituto Budker de Física Nuclear (Novosibirsk), encontraron no sólo el estado hb, sino también otra partícula bottomonium de una energía mayor hb(2P), y determinaron sus masas. Además, el impacto produjo muchas otras partículas de las que se preveían, llevando a la idea de que  hb y hb(2P) surgen debido a un proceso llamado por los físicos “proceso exótico”, es decir, un proceso en el que simplemente no están (todavía) seguros de cómo surge.

El equipo también observó un tipo particular de “grieta hiperfina” en los botomoniun por primera vez. El modo en que dos quarks giran uno alrededor del otro en el estado simple hb es la causa de que sea ligeramente más pesado con respecto a las masas comunes de otros estados del bottomonium. Esta pequeña diferencia de masa es conocida como “grieta hiperfina”, y su medida es la única forma de determinar la interacción directa entre los espines del quark cuando están en una cierta órbita conocida como ondas P. Esta es la primera vez que las ondas P en las grietas hiperfinas han sido observadas en los bottomonium.

Los quarks más pesados, como el quark fondo, nos da unos de las medidas más precisas de las propiedades fundamentales de la fuerza nuclear fuerte. Los resultados de las medidas de Asner y sus colaboradores han representado un significativo avance en la comprensión del sistema de los bottomonium, y el papel de las interacciones quark-antiquark en los sistemas.
Comprender cómo estos sistemas operan ayudará a ellos y a otros científicos a comprobar la fuerza fuerte y su papel en el universo.

Artículo original: http://www.sciencedaily.com/releases/2011/03/110331094613.htm