Un experimento confirma la simetría fundamental de la naturaleza

Los resultados de un trabajo realizado en el Grande Colisionador de Hadrones con la participación de científicos brasileños salieron publicados en Nature Physics

Por Diego Freire

Agência FAPESP – El A Large Ion Collider Experiment (Alice) es uno de los experimentos que se llevan adelante en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), y cuenta con la participación de científicos brasileños de la Universidad de São Paulo (USP) y de la Universidad de Campinas (Unicamp). En él se han realizado mediciones precisas de masa y carga eléctrica de partículas que confirmaron la existencia de una simetría fundamental de la naturaleza.

Los resultados, publicados el pasado 17 de agosto en Nature Physics, llevaron a los investigadores a verificar una simetría fundamental CPT –de carga, paridad y tiempo– entre los núcleos de las partículas y de sus antipartículas.

Las mediciones se basan en la capacidad del Alice de rastrear e identificar partículas producidas en colisiones de alta energía entre iones pesados en el LHC, perteneciente la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Cern), para investigar la posible existencia de diferencias sutiles entre el modo mediante el cual protones y neutrones se unen para formar núcleos y la forma por la cual sus antipartículas correspondientes forman antinúcleos.

“Luego del Big Bang, por cada partícula de materia se creó una antipartícula. En física de partículas, un tema de suma importancia es el que apunta a saber si todas las leyes de la física exhiben un tipo específico de simetría, la denominada CPT, y las mediciones sugieren que la misma efectivamente existe: una simetría fundamental entre los núcleos y antinúcleos”, dijo Marcelo Gameiro Munhoz, docente del Instituto de Física (IF) de la USP e integrante del equipo brasileño en el Alice.

Gameiro Munhoz coordina la investigación intitulada Física nuclear de altas energías en el RHIC y en el LHC, que se lleva adelante con el apoyo de la FAPESP, en colaboración con actividades experimentales relacionadas con el estudio de colisiones entre iones pesados relativistas en el Alice y en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), del Brookhaven National Laboratory, con sede en Estados Unidos.

Entre los trabajos del grupo brasileño que trabaja con el Alice se encuentra la producción de quarks pesados, llamados charm o quarks encantados y bottom o quarks fondos, con base en la medición de electrones con un calorímetro electromagnético; y más recientemente, también el desarrollo del microchip Sampa, que se utilizará en el LHC en estudios de fenómenos más raros a partir de partículas producidas en colisiones de iones pesados (lea más en http://agencia.fapesp.br/21475).

El experimento

De acuerdo con Gameiro Munhoz, las mediciones de masa y carga eléctrica realizadas durante el experimento sobre simetría, combinadas con otros estudios, ayudarán a los físicos a determinar, entre las diversas teorías sobre las leyes fundamentales del Universo, cuáles son las más probables.

“Esas leyes describen la naturaleza de todas las interacciones existentes entre la materia, por eso resulta importante saber que las interacciones físicas no se alteran al invertirse la carga de las partículas, al alterar su paridad invirtiendo sus coordenadas en el espacio y al revertir el tiempo. Las leyes de la física permanecerían idénticas en esas condiciones.”

Específicamente, se midieron las diferencias entre razones de masa y carga de deuterones, formados por un protón y un neutrón, y antideuterones y núcleos de helio-3, formados por dos protones y un neutrón, y antihelio-3. En mediciones recientes realizadas en el Cern, se compararon las mismas propiedades, pero entre protones y antiprotones con una alta precisión.

El Alice registra colisiones de alta energía entre iones de plomo en el LHC, lo cual permite el estudio de la materia en condiciones extremas de densidad y temperatura.

Las colisiones entre iones de plomo suministran una fuente abundante de partículas y antipartículas, y los núcleos y antinúcleos correspondientes se producen con índices aproximadamente iguales, lo cual permite efectuar comparaciones detalladas de las propiedades de aquéllos que se producen en mayor abundancia.

En el experimento se realizan mediciones precisas de la curvatura de las trayectorias de esas partículas en el campo magnético del detector y también de su tiempo de vuelo, utilizando dicha información para determinar las relaciones entre masa y carga en núcleos y antinúcleos.

La alta precisión del detector de tiempo de vuelo, que determina el tiempo de llegada de las partículas y las antipartículas con una resolución de 80 picosegundos, asociada a la medición de la pérdida de energía aportada a la cámara de proyección de tiempo, permite medir una señal clara para deuterones, antideuterones, hélio-3 y antihelio-3, las partículas estudiadas en el marco del experimento sobre similitud.

Los resultados del experimento salieron publicados en el artículo intitulado Precision measurement of the mass difference between light nuclei and anti-nuclei (DOI: 10.1038/nphys3432), que puede leerse en Nature Physics, en la siguiente dirección electrónica: www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3432.html.