El model estàndard de la física de partícules es pot trencar


El model estàndard de la física de partícules es pot trencar.  Implicacions explicades

L’imant d’anell d’emmagatzematge per a l’experiment Muon G-2 al Fermilab.

Lancaster, Regne Unit:

Com a físic que treballa al Large Hadron Collider (LHC) de Cern, una de les preguntes més freqüents que em fan és “Quan trobareu alguna cosa?”. Resistent a la temptació de respondre sarcàsticament: “A part del bosó de Higgs, que va guanyar el Premi Nobel, i un munt de noves partícules compostes?”, m’adono que la raó per la qual es planteja la pregunta amb tanta freqüència es deu a com hem representat el progrés en la física de partícules al món en general.

Sovint parlem de progrés pel que fa a la descoberta de noves partícules, i sovint ho és. L’estudi d’una partícula nova i molt pesada ens ajuda a veure els processos físics subjacents, sovint sense molestos sorolls de fons. Això fa que sigui fàcil explicar el valor del descobriment al públic i als polítics.

Recentment, però, una sèrie de mesures precises de partícules i processos estàndards ja coneguts han amenaçat de sacsejar la física. I amb l’LHC preparant-se per funcionar a més energia i intensitat que mai, és hora de començar a discutir àmpliament les implicacions.

De fet, la física de partícules sempre ha procedit de dues maneres, de les quals les noves partícules és una. L’altre és fent mesures molt precises que comproven les prediccions de les teories i cerquen desviacions del que s’espera.

Les primeres evidències de la teoria de la relativitat general d’Einstein, per exemple, provenen de descobrir petites desviacions en les posicions aparents de les estrelles i del moviment de Mercuri a la seva òrbita.

Tres troballes clau

Les partícules obeeixen a una teoria contra-intuïtiva però de gran èxit anomenada mecànica quàntica. Aquesta teoria mostra que les partícules massa massives per fer-les directament en una col·lisió de laboratori encara poden influir en el que fan altres partícules (a través d’una cosa anomenada “fluctuacions quàntiques”). Les mesures d’aquests efectes són, però, molt complexes i molt més difícils d’explicar al públic.

Però els resultats recents que insinuen una nova física inexplicada més enllà del model estàndard són d’aquest segon tipus. Detallada estudis de l’experiment LHCb va trobar que una partícula coneguda com a quark de bellesa (els quarks constitueixen els protons i els neutrons del nucli atòmic) “desintegra” (es desintegra) en un electró amb molta més freqüència que en un muó: l’electró és més pesat, però idèntic, germà. Segons el model estàndard, això no hauria de passar, donant a entendre que noves partícules o fins i tot forces de la naturalesa poden influir en el procés.

Imatge de l'experiment LHCb.
Experiment LHCb.Cern

Curiosament, però, les mesures de processos similars que impliquen “quarks superiors” de l’experiment ATLAS a l’LHC mostren aquesta decadència. passa a ritmes iguals per als electrons i muons.

Mentrestant, recentment s’ha fet l’experiment Muon g-2 al Fermilab als EUA estudis molt precisos de com els muons “bamboleixen” mentre el seu “gir” (una propietat quàntica) interactua amb els camps magnètics circumdants. Va trobar una petita però significativa desviació d’algunes prediccions teòriques, cosa que suggereix una altra vegada que forces o partícules desconegudes poden estar en funcionament.

El darrer resultat sorprenent és una mesura de la massa d’una partícula fonamental anomenada bosó W, que porta la força nuclear feble que governa la desintegració radioactiva. Després de molts anys de presa i anàlisi de dades, l’experiment, també al Fermilab, suggereix que és significativament més pesat del que prediu la teoria, desviant-se en una quantitat que no passaria per casualitat en més d’un milió de milions d’experiments. De nou, pot ser que partícules encara no descobertes s’estan afegint a la seva massa.

Curiosament, però, això també no està d’acord amb algunes mesures de menor precisió de l’LHC (presentades a aquest estudi i aquest).

El veredicte

Tot i que no estem del tot segurs que aquests efectes requereixin una explicació nova, sembla que creix l’evidència que es necessita una nova física.

Per descomptat, hi haurà gairebé tants mecanismes nous proposats per explicar aquestes observacions com teòrics. Molts buscaran diverses formes de “supersimetria”. Aquesta és la idea que hi ha el doble de partícules fonamentals en el model estàndard del que pensàvem, i cada partícula té un “súper soci”. Aquests poden implicar bosons de Higgs addicionals (associats amb el camp que dóna la seva massa a les partícules fonamentals).

D’altres aniran més enllà, invocant idees de moda menys recents com ara “technicolor”, cosa que implicaria que hi ha forces addicionals de la natura (a més de la gravetat, l’electromagnetisme i les forces nuclears febles i fortes), i podria significar que el bosó de Higgs és de fet un objecte compost d’altres partícules. Només els experiments revelaran la veritat de la qüestió, que és una bona notícia per als experimentals.

Els equips experimentals darrere de les noves troballes són tots molt respectats i han treballat en els problemes durant molt de temps. Dit això, no és una falta de respecte per a ells notar que aquestes mesures són extremadament difícils de fer. A més, les prediccions del model estàndard solen requerir càlculs on s’han de fer aproximacions. Això vol dir que diferents teòrics poden predir masses i taxes de decadència lleugerament diferents en funció de les suposicions i el nivell d’aproximació fetes. Per tant, pot ser que quan fem càlculs més precisos, algunes de les noves troballes s’ajustin al model estàndard.

De la mateixa manera, pot ser que els investigadors estiguin utilitzant interpretacions subtilment diferents i, per tant, trobin resultats inconsistents. La comparació de dos resultats experimentals requereix una verificació acurada que s’ha utilitzat el mateix nivell d’aproximació en ambdós casos.

Tots dos són exemples de fonts d'”incertesa sistemàtica” i, tot i que tots els interessats fan tot el possible per quantificar-les, pot haver-hi complicacions imprevistes que les subestimen o les sobreestimen.

Res d’això fa que els resultats actuals siguin menys interessants o importants. El que il·lustren els resultats és que hi ha múltiples vies per a una comprensió més profunda de la nova física, i totes s’han d’explorar.

Amb el reinici de l’LHC, encara hi ha perspectives que es facin noves partícules mitjançant processos més rars o que es trobin amagades sota fons que encara hem de descobrir.La conversa

(Autor: Roger JonesProfessor de Física, Cap de Departament, Universitat de Lancaster)

Declaració de divulgació: Roger Jones rep finançament de STFC. Sóc membre de la Col·laboració ATLAS

Aquest article es republica des de La conversa sota una llicència Creative Commons. Llegir el article original.

(Excepte el titular, aquesta història no ha estat editada pel personal de NDTV i es publica a partir d’un canal sindicat.)