Grandes novedades en la física de las partículas

Grandes novedades en la física de las partículas

Cuando la belleza se vuelve extraña

El Consejo Europeo para la Investigación Nuclear (CERN) anunció esta semana un resultado experimental que, siendo cautelosamente optimistas, podría poner patas arriba a la física de las partículas elementales.
El Modelo Estándar implica que los dos decaimientos tienen igual probabilidad. La Naturaleza parece tener los dados cargados y preferir el de abajo.
 

Los ladrillos más pequeños de los que está hecho el universo material son las partículas elementales. Sus reglas de juego las dicta el Modelo Estándar, concebido en la década del sesenta. Pese a su modesto nombre, se trata de la teoría científica más precisa jamás construida. Podemos verificar sus predicciones de varias maneras; la más habitual y robusta: a través de colisiones en los aceleradores de partículas.

El acelerador de partículas más energético es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), un anillo subterráneo de más de 27 kilómetros de circunferencia construido por el CERN en la frontera entre Francia y Suiza, a cien metros de profundidad. Allí se aceleran protones que circulan en direcciones opuestas hasta que se los hace colisionar a 14 TeV (como referencia, su equivalente en temperatura es de casi un trillón de grados) en cuatro puntos del anillo donde funcionan enormes detectores llamados Alice, Atlas, CMS y, el protagonista de hoy, LHCb.

La letra final del experimento LHCb es la inicial de la palabra belleza. Y es que los físicos hemos dado rienda suelta a la fantasía a la hora de bautizar a los seis quarks, y a dos de ellos los llamamos extraño y belleza (s y b, por sus iniciales en inglés). Los quarks, recordemos, son las partículas que componen al protón y al neutrón, que a su vez pueblan el núcleo de los átomos. Pero los quarks s y b no están dentro de los núcleos sino en partículas inestables que sólo podemos ver en los detectores por las trazas que dejan. Veamos un ejemplo.

Existe una partícula que contiene un (anti)quark b llamada B+, más pesada que cinco protones, cuya fugaz existencia apenas supera la billonésima de segundo. Lo que puede ocurrir tras ese lapso es un abanico de más de quinientas posibilidades. Nos concentraremos en dos de ellas, que tienen lugar casi una vez de cada millón de decaimientos: B+ se convierte en K+ (lo que realmente ocurre es que el (anti)quark b se convierte en el (anti)quark s) y salen disparadas otras dos partículas: un par electrón-antielectrón o bien un par muon-antimuón. La partícula K+, cuya masa es la mitad de la de un protón, tiene una vida de poco más de una cien millonésima de segundo. Parece poco, pero es diez mil veces más longeva que su madre, B+: la extrañeza es más duradera que la belleza en el mundo subatómico.

La principal causa de estos decaimientos es la interacción débil, una de las cuatro conocidas. Según el Modelo Estándar, los dos procesos anteriores deben ocurrir exactamente el mismo número de veces o, para ser más precisos, con la misma probabilidad (recordemos que el universo microscópico es una gran timba). Este democrático reparto de chances se conoce pomposamente como universalidad leptónica (ya que tanto el electrón como el muon son lo que se conoce como leptones). Así, si fuéramos capaces de ver cuántas veces ocurre cada uno de los decaimientos anteriores, el ratio entre ellos debería ser 1.

Es fácil imaginar que son innumerables las dificultades experimentales para realizar esta comparación. Son partículas que viven muy poco y aparecen en estadios intermedios de procesos complicados. Para colmo, la Mecánica Cuántica impone sus leyes probabilísticas, por lo que tenemos que hacer infinidad de veces el experimento para ir ajustando ese ratio. El análisis de estos ingentes datos es extremadamente complejo y no es posible hacerle justicia en estas líneas. Permíteme una grosera simplificación.

Imagina que antes de arrojar un dado anuncio lo que saldrá y acierto. Quizás he tenido suerte. Lo vuelvo a hacer y nuevamente ocurre. Empiezas a mirarme con sorpresa. Procedo a repetirlo y la sorpresa se convierte en suspicacia: ¿estará cargado el dado? Lo lanzo una vez más y se repite la historia: ¡cuatro aciertos consecutivos! ¿Te atreverías a apostar contra mi en una quinta tirada? Si el dado no estuviera cargado, la probabilidad de que acierte seguirá siendo, como siempre, de una en seis, por lo que sin duda te convendría apostar. Sin embargo, piensas, “cuatro aciertos consecutivos son demasiada casualidad: ese dado está trucado”. Y sospecho que no aceptarías la apuesta.

Lo que se ha observado con el decaimiento de B+ es que el ratio de los dos procesos anteriores da un número entre 0.805 y 0.89, lejos de la universalidad leptónica. ¿Lejos? ¿Acaso no es posible que hayamos obtenido esos números sólo porque no hemos observado lo suficiente? En el ejemplo anterior, si yo continuara tirando el dado y éste no está trucado, cada número acabaría saliendo la misma cantidad de veces, dejando en evidencia a mis presuntas dotes adivinatorias. Como pasó con el pulpo Paul en el mundial de Sudáfrica. ¿Está cargado el mesón B+ y las probabilidades de los dos procesos no son las mismas? ¿O es cuestión de seguir observando?

Quizás se vaya corrigiendo el ratio a medida que veamos más y más decaimientos en el futuro. Sin embargo, si echamos la vista atrás nos encontramos con la tendencia opuesta: a medida que se fueron observando más datos el LHCb fue encontrando cada vez más robusta la violación de la universalidad leptónica. De ahí el “cauteloso optimismo” con el que se presentó este resultado. Para que sea considerado un hecho probado tendría que mantenerse el ratio con muchas más observaciones. En el ejemplo del dado, necesitaría cuatro lanzamientos más: ocho aciertos consecutivos fortuitos son inverosímiles según las leyes del azar. Cualquier perito consideraría, en ese caso, que el dado está trucado.

Si en los próximos años se consolida el resultado anunciado podremos afirmar rotundamente que el Modelo Estándar es incorrecto. Aunque parezca raro, celebraremos por todo lo alto: necesitamos pistas que nos permitan entender qué es la materia oscura, por qué hay más materia que antimateria, qué es la energía oscura, entre otros interrogantes que están al acecho de cualquier traspié de la física conocida. Acaso sea un consuelo tras la decepción de constatar que la belleza fugaz, cuando deviene extraña, no es equitativa a la hora de engendrar leptones.

* Físico teórico, IGFAE, Universidad de Santiago de Compostela

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