domingo, 18 de noviembre de 2012

Mesones B muestran que el tiempo tiene una flecha en las escalas más pequeñas.


Detector BaBar. Créditos: UCSB.
A diferencia de nuestra experiencia cotidiana, en el mundo de la física de partículas elementales es mayormente simétrico el tiempo. Haga correr el reloj hacia atrás en su día y no funcionará; haga lo mismo en un proceso en física de partículas y las cosas estarán bien. Sin embargo, para preservar ciertos aspectos fundamentales de espacio-tiempo el modelo estándar predice que ciertos eventos reversibles tienen diferentes probabilidades de que ocurran, dependiendo de la forma en que vayan. Esta inversión temporal de asimetría es notablemente difícil de observar en la práctica, ya que implica medidas de partículas altamente inestables.

Los nuevos resultados del detector BaBar en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) han descubierto esta asimetría en el tiempo. Los investigadores midieron las transformaciones de pares entrelazados de partículas, incluyendo las tasas a las cuales estas transformaciones ocurrían. A través del análisis de más de 10 años de datos, encontraron de forma clara inversión temporal asimetríca con un error de sólo una parte en 1043, un descubrimiento claro para cualquier estándar. Estos resultados son una confirmación fuerte de las predicciones del Modelo Estándar, llenando en uno de los últimos detalles que faltan en esta teoría.

Una consecuencia directa de la relatividad en física de partículas es la presencia de tres simetrías relacionadas, conocidas como CPT: carga, paridad y tiempo. Simetría de carga (C) incluye operaciones en donde las partículas se intercambian con sus antipartículas, paridad (P) se ocupa de las interacciones que pueden depender de la dirección que en el espacio tienen lugar. Inversión de tiempo (T) es quizás el más sutil de los tres: algunos procesos se prevé que se produzcan de forma diferente en función de su orden en el tiempo. Si bien nuestra vida cotidiana demuestran que el tiempo tiene una dirección definida (que nos hacemos mayores y más decrépitos, una pizza que cae al suelo trágicamente no vuelve a su estado previo  de forma espontánea y de nuevo es un delicioso bocado, entre otros), los procesos fundamentales que involucran partículas son casi todos reversible.

Juntos, CPT parece ser una verdadera simetría de la naturaleza, lo mejor de nuestra capacidad para probarlo. Sin embargo, algunas interacciones que involucran la interacción débil (una de las cuatro fuerzas fundamentales, junto con la interacción fuerte, electromagnetismo y gravedad) violan la simetría CP. Eso significa que para preservar CPT, estas interacciones también debe violar la Inversión de Tiempo (T) -pero que ha demostrado ser muy difícil demostrar experimentalmente-.

La clave para encontrar violaciones T radica en los procesos para encontrar partículas en las cuales las identidades cambian a través de las oscilaciones que pueden ir en cualquier dirección. (Esto es en contraste con el decaimiento de mesones B, que es irreversible.) Los nuevos resultados de BaBar examinaron las transiciones de diferentes tipos de mesones B que pueden transformarse en otros tipos, y se mide la probabilidad de que ocurra cada proceso. Para citar un ejemplo: la partícula B- puede transformarse en B0, y viceversa. Si la simetría T es violada, entonces la probabilidad de un cambiar B a un B0 será diferente de el proceso inverso.

El equipo de BaBar realizo mediciones en 468 millones de pares de mesones B y B, producidos en la descomposición de mesones Υ (4S) (epsilon). Observaron violación T en cuatro procesos diferentes y su inversión:

1. B- → B0
2. B0 → B-
3. B+ → B0
4. B0 → B+


(Los mesones son denotados con el subíndice "+" o "-". No se refieren a la composición de quarks, sino a la forma particular en que decaen) Estos procesos ya eran conocidos por violar CP, por lo que eran los principales candidatos para buscar violación T también. Además, cada uno de los decaimiento de una Υ (4 S) produjo un par B B , en virtud de su origen común, tuvieron un e entrelazamiento: la medición de estado espín de un meson reveló el resultado de la medición de su pareja.

Al identificar el tipo B particular (su "Sabor" en el lenguaje de la física de partículas) y determinar el proceso de deterioro que cada par produce, los investigadores midieron la tasa de transición de un mesón tipo B a otro. Dado que cada par se entrelazo en la producción, el segundo mesón esta necesariamente en un estado complementario en todo momento, lo que permite la medición con precisión de las rutas de transición diferentes enumerados anteriormente. El entrelazamiento es generalmente el dominio de la información cuántica y teoría de la medición, por lo que su aplicación al problema reversión-T se vuelve emocionante y único.

Gracias a más de 10 años de datos, el equipo midió BaBar violación-T al nivel 14 sigma, lo que significa que sólo hay una posibilidad entre 1043 que este efecto no sea real. (En comparación, una detección positiva del bosón de Higgs en verano pasado se anunció en el nivel 5 sigma). Estos resultados son una fuerte verificación de las predicciones del Modelo Estándar en partículas, lo que demuestra que, al menos para algunos procesos de partículas elementales -la dirección del tiempo es importante-.

Física de fondo


Los mesones son partículas constituidas por un quark y un antiquark. Los mesones B de varias clases contienen un antiquark. Quarks bottom son el segundo quark más masivo, y además son muy inestables. Como resultado, los mesones B se transforman rápidamente en otras partículas. Los diferentes tipos de partículas B se determinan por el segundo quark que contienen: B0 tiene un quark abajo, por ejemplo. Las antipartículas correspondientes se denotan B, y contienen quarks bottom. En términos generales, no se va a distinguir entre mesones y los anti-mesones refiriéndose a ambos como mesones B por simplicidad.

Además, algunos tipos de mesones B pueden oscilar en diferentes tipos, un proceso similar a lo que vemos con los neutrinos. Esta oscilación es la clave para medir el tiempo de reversión asimetría en los nuevos resultados de Babar.

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