En la frontera de un nuevo tipo de física de partículas

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El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es un enorme acelerador de partículas.

Su túnel de 27 kilómetros roza la frontera de Francia y Suiza. Como el instrumento científico más grande jamás inventado, el LHC ha tenido a la comunidad científica excitada a su alrededor dado que puede ayudar a comprender el funcionamiento interno de la Naturaleza.

Es de notar que, parte de la nueva física que puede estudiarse en esta instalación de 6000 millones de dólares, puedes estudiarse usando experimentos de bajo coste que encajan en una sala típica de laboratorio.

En un próximo artículo de Physical Review Letter, un grupo de físicos de la Universidad de Nevada en Reno, informan de un análisis de un experimento sobre la violación de la simetría de espejo en átomos. Sus análisis refinados fijan nuevos límites sobre una partícula teórica, el bosón Z extra, tallando la parte de baja energía del límite de descubrimiento del LHC.

Andrei Derevianko, profesor asociado en el Departamento de Física de la Facultad de Ciencias, ha llevado a cabo innovadoras investigaciones para mejorar las capacidades temporales de los relojes atómicos más precisos del mundo, que es uno de los principios tras los que se cree que es la determinación más precisa hasta la fecha de baja energía del acoplamiento electrodébil entre electrones atómicos y quarks del núcleo.

Derevianko y sus colegas han determinado la fuerza de acoplamiento combinando medidas anteriores realizadas por el Dr. Carl Wieman, premio Nobel de física, con cálculos de alta precisión en un átomo de cesio.

El trabajo original de Wieman usó un aparato de sobremesa en la Universidad de Colorado en Boulder. El equipo de Boulder monitorizó una “punzada” de fuerza débil en átomos, los cuales, de otra forma, se verían gobernados por la fuerza electromagnética. El Modelo Estándar de partículas elementales, desarrollado a principios de la década de 1970, mantiene que las partículas pesadas, llamadas bosones Z, portan esta débil fuerza. En contraste con la fuerza electromagnética, la fuerza débil viola la simetría de espejo: un átomo y su imagen de espejo se comportan de forma distinta. Esto es conocido en física como “violación de paridad”.

El experimento del grupo de Boulder abrió la puerta a una nueva pesquisa, de acuerdo con Derevianko.

“Señaló una discrepancia, y apuntó a la posibilidad de una nueva física, en particular, los bosones Z extra”, dijo.

La interpretación del experimento de Boulder requiere de una entrada teórica. El análisis requiere una comprensión detallada del movimiento correlacionado de 55 electrones de átomos de cesio. Esta no es una tarea fácil dado que el número de unidades de memoria requeridas para almacenar completamente las funciones de onda mecánica cuánticas supera el número de átomos estimados del universo. Se desarrollaron aproximaciones y herramientas computacionales especiales. Comparado con los análisis previos, alcanzar el siguiente nivel de precisión requirió un incremento en un factor de 100 en complejidad computacional.

El artículo representa una mejora drástica dado que los investigadores han trabajado duro para desarrollar una prueba más precisa del Modelo Estándar. El grupo de Derevianko, que incluía al Dr. S. Porsev y un número de estudiantes, ha trabajado en el análisis del experimento de Boulder durante los últimos ocho años.

“Por fin, la tecnología de ordenadores alcanzó la demanda de cálculo del problema y fuimos capaces de abordarlo”, dice Derevianko. “Me he beneficiado mucho de las colaboraciones en este problema complejo. Un compañero coautor, Kyle Beloy, por ejemplo, recientemente ha sido reconocido como Investigador Graduado Destacado por la Universidad”.

En contraste con anteriores interpretaciones menos precisas del experimento de Boulder, el grupo de Derevianko ha encontrado una concordancia perfecta con el Modelo Estándar. Esta concordancia mantiene unas implicaciones importantes para la física de partículas.

“La violación de paridad atómica coloca una potente restricción sobre la nueva física más allá del Modelo Estándar de partículas elementales”, dijo Derevianko. “Con esta precisión recién encontrada, estamos haciendo un mejor trabajo al ‘escuchar los átomos’”.

Refinando y mejorando los cálculos, dice Derevianko que hay potencial para una mejor comprensión de las partículas hipotéticas (bosones Z extra) las cuales podrían ser portadoras de una esquiva quinta fuerza de la naturaleza. Durante años, los físicos han realizado experimentos para probar o descartar la posibilidad de una quinta fuerza en la naturaleza.

Existen cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza. Además de la gravedad, el electromagnetismo crea luz, ondas de radio y otras formas de radiación. Las dos otras fuerzas operan a nivel atómico: Estas son la fuerza nuclear fuerte, que une partículas en el núcleo, y la fuerza nuclear débil, que se revela cuando los átomos se disgregan en el decaimiento radiactivo, o como en el experimento de Boulder, a través de la violación de paridad.

La posibilidad de una quinta fuerza podría disputar la antigua creencia de que la fuerza de la gravedad es la misma para todas las sustancias.

“La nueva física más allá del Modelo Estándar es la próxima frontera”, dijo Derevianko, “y es la motivación teórica para gran parte de la investigación”.

Para leer el artículo de Derevianko, ir a: http://arxiv.org/abs/0902.0335



Autor: John Trent
Fecha Original: 24 de abril de 2009
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