miércoles, 27 de noviembre de 2013

Materia y antimateria no son tan antisimétricas

Un experimento de 1964 acerca de una inusual partícula mostró una violación de la simetría y llevó a la conclusión de que la material y la antimatria no son tan equivalentes.

La simetría ha sido un principio teórico conductor para los físicos de partículas, pero en unos pocos casos, la naturaleza a resultado no ser tan simétrica como se esperaba. El descubrimiento de la violación CP de la simetría en 1964, la cual implica la relación entre materia y antimateria, fue una intrusión particularmente rara que incluso hoy en día representa un enigma teórico. Un artículo publicado hace 50 años y ganador del premio novel apuntó una respuesta a una de las más importantes cuestiones de la cosmología ¿por qué hay tan poca antimateria en el universo?

A principios de 1950, los físicos afrontaron un extraño puzzle que implicaba al mesón neutral K, o kaon, y su antipartícula. A través de un proceso que implica a la interacción débil, el kaón podía convertirse en un antikaón, y viceversa, lo cual parecía significar que no eran estados de partícula realmente elementales. Así pues, los teóricos definieron nuevas partículas: K1 era la suma de un estado kaón y un antikaón, y K2 era la diferencia.

Por aquel tiempo, se pensaba que las leyes de la física eran exactamente iguales para la materia y la antimateria. Este principio, conocido como simetría de conjugación de carga, o C, condujo hacia alguno simples argumentos de la predicción de que K1 podría desintegrarse en dos piones, pero K2 no podría. K2 solo podría desintegrarse en formas más complejas, por ejemplo, tres piones. Esta desintegración sería menos común, así que K2 viviría más que K1. En línea con las predicciones, los experimentos mostraron que K2 vivía más y se desintegraba principalmente en tres piones, aunque no se había detectado un pequeño número de desintegraciones de dos piones.

Así surgió un nuevo problema. Un experimento de 1954 mostró que la interacción débil no obedece a la simetría de inversión especular, o P, para la paridad y los físicos pronto se dieron cuenta de que si P no era considerada, entonces tampoco lo sería C, alterando potencialmente el modelo K1-K2. Pero había una salida: si se observaba estrictamente la simetría CP combinada, el modelo original podría preservarse, y como antes, K2 no podría desintegrarse en dos piones.

Un grupo de investigadores puso esta predicción a prueba. Usando el Sincrotrón de Gradiente Alterno en el Brookhaven National Laboratory, hicieron chocar protones en blancos de berilio para generar una mezcla de mesones K1 y K2. El K1 se desintegró rápidamente, dejando un haz de K2.

Entre las desintegraciones de K2 de tres piones esperadas, los investigadores encontraron un pequeño número de desintegraciones de dos piones y concluyeron que aproximadamente dos de cada 1000 desintegraciones K2 producían pares de piones, violando la simetría CP. Este descubrimiento fue galardonado con el premio Nobel de Física en 1980.

La violación CP fue una sorpresa, violation was a surprise, y de las grandes. El hecho de que fuese muy pequeña, sin otros ejemplos, dejó a los físicos preguntándose si esto era algún pequeño efecto molesto, no una gran pieza de la Física. No fue hasta 1973 cuando los teóricos descubrieron una manera de acomodar la violación CP en el modelo de física de partículas. Sin embargo, la teoría de 1973 no ganó aceptación durante algún tiempo, ya que requería una tercera generación de partículas elementales, además de las dos ya conocidas. Estas partículas predichas, incluyendo el quark top y el neutrino tau, fueron observadas a lo largo de los siguientes 20 años.

La simetría CP implica la equivalencia de reacciones de partículas y sus versiones antipartícula especulares. La violación CP forzó a los teóricos a aceptar que la naturaleza no tenía en absoluto simetría materia-antimateria, de manera que la materia y la antimateria no eran verdaderamente equivalentes. El lado positivo es que un pequeño desequilibrio entre la cantidad de materia y antimateria en el universo primitivo puede explicar por qué hay tan poca antimateria hoy en día: tras toda la antimateria aniquilada con materia, solo quedó una pequeña cantidad de materia. Sin embargo, la magnitud de la violación CP medida es demasiado pequeña para explicar la densidad de materia observada en el cosmos, de manera que los experimentalistas continúan estudiando el efecto en otras partículas, tales como mesones B. De hecho, aún no hay explicación para la magnitud de la violación CP.

Via physics.aps

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