La misteriosa anomalia detectada al CERN apunta cap a una nova física?

Clic per engrandir. Una imatge del túnel amb el LHC. Crèdit: CERN.

Com funciona l’accelerador de partícules més gran? Actualment, a cavall entre
França i Suïssa, el Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC) permet col·lisions
de protons a una energia de 13 TeV (teraelectronvolts). Descobriu com funciona
aquesta impressionant eina en vídeo gràcies al CERN. 

Diverses extensions del model estàndard, com el tecnicolor o la composició, prediuen l'existència de leptoquarks, partícules capaces de canviar els quarks en leptons i provocar la desintegració de protons. Rastrejats durant dècades, poden ser responsables de misterioses anomalies en la decadència de certes partícules observades amb el detector LHCb al CERN.

L'LHC continua la seva transformació en un camí que condueix a feixos de protons més intensos. Les col·lisions per segon seran llavors més nombroses, cosa que potser permetrà observar,  mitjançant reaccions de producció de partícules certs processos rars, que podrien delatar l'existència d'una nova física. Òbviament, el més interessant de l'LHC d’alta lluminositat projectat seria observar finalment partícules completament noves. Fins ara, hi ha hagut una gran decepció en aquest sentit. És cert que es van destacar més de 50 nous hadrons en els esdeveniments produïts durant les anteriors "tirades" de l'LHC i del CERN, fins i tot recentment, va anunciar que havia obtingut indicacions convincents a favor de l’existència de boles de gluons formades per tres gluons. Però es tracta de partícules i ressonàncies, com diuen els físics en el seu argot, que són més o menys predites pel Model Estàndard, principalment per la teoria de les fortes interaccions entre quarks d’hadrons.

Molts van creure plausible que els gegants detectors Atlas i CMS ens revelessin una nova física amb la detecció de partícules de matèria fosca. Però podria ser que la propera revolució de la física d’alta energia s’iniciï ara mateix mitjançant dades misterioses que s’acumulen en els esdeveniments estudiats per un detector de mida més modesta: el LHCb (Large Hadron Collider Beauty).

Clic a la imatge per engrandir. La teoria estàndard de la física de partícules separa les partícules elementals que formen la matèria en dues famílies: leptons i quarks. Cada família té sis partícules, agrupades en parelles o "generacions". Les partícules més estables, que són les més lleugeres, constitueixen la primera generació, mentre que les més pesades i menys estables pertanyen a la segona i tercera generació. Els sis tipus de leptons s’agrupen en tres generacions: l’electró i el neutrí de l’electró, el muó i el neutrí del muó i, finalment, el tau i el neutrí de tau. De la mateixa manera, els sis tipus de quarks s’agrupen en parelles en cadascuna d’aquestes generacions: el quark u i el quark d formen la primera generació, després vénen el quark c i el quark s i, finalment, el quark t i el quark b.© Daniel Domínguez, CERN.

Quark bellesa i l'enigma de l'antimatèria

Un dels principals objectius d'aquest detector és estudiar la física de les partícules que contenen almenys un quark "bellesa", també anomenat quark b. Es designa així un membre d’una família de sis quarks que transporta una quantitat conservada (només per la força electromagnètica i la força nuclear forta) anàloga a la càrrega elèctrica i que hom anomena bellesa. Els quarks estan connectats en el model estàndard a una altra interacció fonamental anomenada força elèctrica feble. Combina en un marc unificat la teoria de la força electromagnètica i la teoria de la força nuclear feble, responsable de la radioactivitat beta, i que també participa en les reaccions que fan brillar el Sol.

La teoria electrofeble implica l'existència de nous bosons que són cosins de fotons i que són anomenats els bosons W i Z. Uneix les partícules que són leptons, com els neutrins i els electrons, que també formen una família de sis partícules. El model estàndard prediu les reaccions de conversió i aniquilacions dels quarks en altres quarks  mitjançant l'emissió de bosons W, Z i fotons. Les reaccions amb hadrons que contenen quarks bellesa són interessants perquè estan relacionades amb el que s’anomena la violació de la simetria CP, que permet pensar en solucions a l’enigma de l’antimatèria cosmològica. Aquesta és una oportunitat per intentar entendre per què el Big Bang sembla haver deixat només matèria i no una barreja de matèria i antimatèria a parts iguals, com implica la física coneguda. 

Descobriu una presentació de la col·laboració de LHCb al Cern en aquest vídeo.
Podeu triar l'idioma de la subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Cern, YouTube

Una violació de la universalitat d'una força?

Però, avui, com els físics de la col·laboració LHCb han fet saber mitjançant un article d’accés obert a arXiv, es una violació de la universalitat leptònica que sembla apuntar el nas a la desintegració de certs mesons que contenen quarks bells.

Segons el model estàndard, les partícules amb quark b haurien de desintegrar-se amb la mateixa probabilitat en electró, muó o tauó (bé, gairebé, aquests leptons no tenen les mateixes masses, cosa que influeix una mica en les taxes de desintegració). Aquest fenomen es descriu com una il·lustració del que, per tant, s'anomena universalitat leptònica, que expressa que el  model electrofeble de Glashow -Salam-Weinberg (que porta el nom dels seus descobridors) tracta els leptons en igualtat de condicions (les seves diferències de massa són properes). Cosa similar a la llei de la gravitació universal, que se suposa que és la mateixa per a totes les partícules.

En el cas que intriga els físics de LHCb, tenim mesons B⁺ que poden desintegrar-se segons dos canals, com diem, donant cada vegada un mesó K⁺ però també un parell d’un tipus de leptó (parlem de sabors com per als sis quarks diferents) i la seva antipartícula, per exemple un muó amb càrrega positiva i negativa (K⁺ i µ + µ^-) o un parell positró-electró (K⁺ i e + e^-). Aquestes desintegracions, que impliquen la transformació d'un quark de bellesa en un quark estrany (b -> s), són extremadament rares, ocorrent a un ritme de només una desintegració del mesó B⁺ entre de dos milions.

Però els físics van acabar ressaltant-los i, sobretot, semblava haver-hi una violació de les prediccions de física conegudes a l’alçada de 3,1 sigmes, cosa que en termes de probabilitat significa que hi ha un 0,1% de probabilitats que l’efecte es degui a l’atzar.

Però, per petit que sigui aquest nombre, i que ens pugui fer creure que podem parlar de descobriment, enganya la nostra intuïció de l’atzar i de fet, és relativament habitual tenir els resultats d’experiments que semblen no ser capaços de reflectir les mesures. Els investigadors esperarien cinc sigmes a anunciar l’inici d’una revolució.

Suposem que l’efecte és real, tal com podrem esbrinar en els propers anys. Però ja ho podem explicar amb una nova física?

 Clic per engrandir. Els diagrames de Feynman associats als càlculs de la teoria
quàntica de camps descriuen com un mesó B⁺ compost per un quark u i un antiquark
bell pot degradar-se en diferents canals leptònics (leptó + el seu antileptó)
acompanyant la producció d’un mesó K⁺. El primer mostra el que s’espera del
model estàndard en física de partícules, el segon mostra la reacció amb un
leptoquark. © Cern LHCb col·laboració.

La resposta és probablement sí, i és possible que estiguem a punt de descobrir l’existència de leptoquarks.

Partícules que transmuten quarks a leptons i viceversa

Aquestes partícules porten tipus d'anàlegs de les càrregues elèctriques associades als quarks i als leptons (tècnicament, són els nombres bariònics i de leptons que es conserven durant les reaccions conegudes entre les partícules). Aquesta propietat els permet transformar-se el primer en el segon i viceversa.

Aquests leptoquarks apareixen en diverses teories proposades per anar més enllà de la teoria estàndard. Per exemple, la teoria tecnicolor i les seves variants assumeixen que el bosó BEH (sigla de Brout, Englert, Higgs) és de fet un estat compost de dues partícules unides per una nova força, anàloga a la interacció nuclear forta que uneix els quarks als hadrons, i en particular als pions, també anomenats mesons de Yukawa.

En la mateixa línia, la teoria de la composició i les seves variants postulen que tots els quarks i leptons són partícules compostes formades per partícules genèricament anomenades preons. Aquestes teories suggereixen que els leptoquarks són pesats i s'han de manifestar directament a energies d'almenys de l'ordre de TeV (mil vegades la massa necessària per crear un protó).

Fragments d’un documental sobre el premi Nobel de física Abdus Salam. Podeu triar
l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Pilgrim Film

Entre els pioners d’aquestes teories, cal esmentar Jogesh Pati i Abdus Salam que desenvoluparen una teoria que unifiqui els quarks i els leptons i les forces nuclears fortes i electrofebles a principis dels anys 70. D’aquí naixerà una segona versió de 1975, que fa intervenir una estructura composta per a quarks i leptons que per tant, deien de ser partícules elementals. Actualment, aquest treball es coneix com el model Pati-Salam.

El que és menys conegut és que el model Pati-Salam va inspirar la més famosa de les teories de la Gran Unificació (GUT), la de Georgi-Glashow basada en el grup de Lie SU(5). A Jogesh Pati també li devem la paraula "preó" per a partícules més elementals que els quarks i els leptons i les que constituirien. De nou és el model de Pati-Salam que inspirarà la més famosa de les teories dels preons, la dels rishons de Harari. Una de les conseqüències observables del model Pati-Salam és l’existència d’un bosó Z’ i sobretot per tant de leptoquarks que permetrien comprendre millor l’existència de tres famílies de leptons i quarks descrits pel model electrofeble i la famosa matriu de Kobayashi-Maskawa.

Els processos amb leptoquarks són molt rars i difícils de demostrar. Però, com que podrien provocar una desintegració del protó, s'ha intentat detectar-lo. De fet, va ser inicialment per observar aquesta desintegració que es va construir l’avantpassat del detector, el Super Kamiokande, que va permetre resoldre l’enigma dels neutrins solars. 

Creuem els dits pel LHCb i també esmenten per acabar, que el model Pati-Salam també pot derivar d’una ambiciosa teoria basada en la geometria no commutativa d’Alain Connes, però aquesta és una altra història.

Feu un viatge a 100 metres sota terra per admirar un detector de física de partícules
a mida natural. Aquest documental ofereix un recorregut per l’experiment LHCb al
CERN acompanyat d’explicacions d’experts en la matèria. ©  LHCb Experiment.

Ho he vist aquí.