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.

Origen dels raigs còsmics: les supernoves serien PeVatrons

Clic per engrandir. La visió de Fermi del cel gamma millora constantment. Aquesta imatge de tot el cel inclou 3 anys d'observacions del Telescopi de Gran Àrea de Fermi (LAT). Mostra com apareix al cel a energies superiors a 1.000 milions d'electrons volts (1GeV). Els colors més clars indiquen fonts de raigs gamma més brillants. Una resplendor difusa omple el cel i és més brillant al llarg del pla de la nostra galàxia (centre). Fonts discretes de raigs gamma inclouen púlsars i restes de supernoves de la nostra galàxia, així com galàxies llunyanes alimentades per forats negres supermassius. Crèdit: Col·laboració NASA/DOE/Fermi LAT

L'astronomia de multimissatgers permet estudiar els fenòmens astrofísics, en particular combinant l'observació de fotons a diferents longituds d'ona amb l'espectre de partícules carregades a alta energia que arriben als límits de l'atmosfera terrestre. Algunes d'aquestes partícules carregades són protons i cada cop hi ha proves creixents que aquests raigs còsmics són accelerats per explosions de supernoves.

Un púlsar "vídua negra" devora la seva parella. Quan es tracta d'aranyes, les aranyes vídues negres són les que devoren els seus companys després de l'aparellament. I els astrònoms han observat un comportament similar al cel. Quan un púlsar i una estrella de poca massa formen un sistema binari. Davant la radiació emesa pel púlsar, l'estrella té poques possibilitats de sobreviure durant molt de temps. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: NASA Goddard 

Fa un segle que la noosfera va descobrir l'existència dels raigs còsmics. Això ha permès avançar en el nostre coneixement de les partícules elementals i, de passada, demostrar l'existència d'antimatèria abans que les partícules exòtiques, i l'existència fugaç demostrada en els raigs còsmics, fossin fabricades per col·lisions de partícules a energies cada cop més altes.

L'estudi dels raigs còsmics continua, ja perquè algunes de les partícules presents s'han accelerat fins a energies impossibles d'assolir fins i tot amb el LHC avui dia, però també perquè proporcionen informació sobre fenòmens astrofísics. L'estudi dels neutrins còsmics, per exemple, ens pot ajudar a entendre els nuclis actius de les galàxies, subministrades amb energia fent girar forats negres supermassius que acretin matèria.

Però hi ha una trampa, els raigs còsmics són majoritàriament partícules carregades, el que significa que en els camps magnètics turbulents dins de les galàxies són desviats per aquests camps i es mouen a través d'ells realitzant un moviment brownià i, per tant, estocàstic. És evident que la direcció d'on sembla provenir un protó molt energètic a la volta celeste, creant una pluja de partícules secundàries en xocar amb un nucli de l'atmosfera superior, pot no tenir res a veure amb el seu lloc d'origen a la mateixa volta del cel.

Afortunadament, els astrofísics són intel·ligents i tenen una eina i una estratègia per rastrejar l'origen d'alguns d'aquests protons d'alta energia a la Via Làctia. Acaben de publicar un article sobre aquest tema, una versió d'accés obert del qual es pot trobar a arXiv.  

Els PeVatrons¹ a l'origen de certs raigs còsmics serien de fet supernoves. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Centre de vol espacial Goddard de la NASA.

 

Protons més de 100 vegades més energètics que al LHC 

 

Aquesta eina és el telescopi gamma de la NASA a l'espai, anomenat Fermi, en honor al famós físic italià que va proposar el primer dels mecanismes per accelerar els raigs còsmics, mecanismes que es troben associats a les ones de xoc de les explosions de supernoves en el medi interestel·lar.

Fa uns anys, les observacions de Fermi de restes de supernoves ja havien confirmat l'existència dels mecanismes avançats per als protons còsmics, que en altres llocs són el component principal dels raigs còsmics, tot i que es poden trobar positrons i nuclis.

Per tant, avui els astrofísics expliquen que de manera similar van utilitzar uns 12 anys de mesures de flux gamma per Fermi d'un romanent de supernova i que aquestes mesures van confirmar que almenys aquesta resta era efectivament un accelerador de protons que els donaven energies almenys iguals al PeV, és a dir, almenys 100 vegades l'energia d'un protó accelerat al LHC.

Aquest romanent de supernova, anomenat G106.3+2.7, és per tant un autèntic PeVatron i es troba a la constel·lació de Cefeu, una constel·lació circumpolar de l'hemisferi nord, a uns 2.600 anys llum del Sistema Solar. Conté en el seu cor un púlsar anomenat J2229+6114 que tenim moltes raons per pensar que com tots els altres púlsars, és una estrella de neutrons deixada per l'explosió d'una estrella a l'origen del romanent de supernova G106.3+2.7.

Els investigadors van establir l'espectre d'energia dels fotons gamma entre 100 GeV i 100 TeV estudiant les dades recollides per Fermi. Aquest espectre no és compatible amb el dels fotons gamma que serien produïts principalment per electrons d'alta energia que xoquen amb fotons de radiació fòssil donant-los part de la seva energia segons un efecte Compton invers (sabem que els púlsars són acceleradors d'electrons i positrons ). Si fossin electrons, entraria en conflicte amb la forma de l'espectre en el domini de ràdio i X associat a G106.3+2.7.

Com fa uns anys, arribem, doncs, a la conclusió que els fotons gamma observats per Fermi provenen de la desintegració de mesons π neutres, mesons π produïts per col·lisions que impliquen protons a energies que poden assolir i superar el PeV.

Clic per engrandir. Aquesta imatge composta, feta amb fotografies fetes per diversos telescopis, mostra el romanent de supernova IC 443, situat a 5.000 anys llum del Sol a la constel·lació dels Bessons. De vegades s'anomena nebulosa Medusa. Les emissions de raigs gamma observades per Fermi es mostren aquí en magenta i les del visible en groc. Els altres colors corresponen a emissions en infraroigs. Crèdit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, NOAO/AURA/NSF, JPL-Caltech/UC.

 

¹ Un PeVatron és un accelerador (natural) que dóna a les partícules subatòmiques (essencialment protons, electrons i fotons) una energia superior a 100 TeV (10¹⁴ eV), per tant de l'ordre d'un petaelectronvolt (1 PeV = 10¹⁵ eV) o més. Un protó PeVatron es va localitzar l'any 2016 al centre galàctic1. El 2021, es van detectar 530 fotons amb una energia superior a 100 TeV (fins a 1,4 PeV), procedents de 12 fonts diferents (incloent-hi només una ben identificada, la nebulosa del Cranc).

El PeVatrón: Es creu que els raigs còsmics amb energies de Petaelectronvolts (PeV) s'originen en fonts de la nostra galàxia anomenades PeVatrons. Hi ha arguments sòlids que suggereixen que els Romanents de Supernova (SNR) són capaços d'accelerar els raigs còsmics a aquestes energies, donant lloc a raigs gamma a centenars de TeV (cents de milers de milions més energètics que la llum visible). Tot i això, els SNR no estan encara fermament confirmats com PeVatrons i els astrònoms segueixen buscant activament aquests acceleradors extrems. Més informació aquí.

Ho he vist aquí.

Matèria fosca: Freeman Dyson ha resolt l’enigma amb un hadró de sis quarks?

Clic per engrandir. Els investigadors proposen un escenari per explicar la matèria fosca
basada no només en la física de les partícules conegudes, sinó a partir d’una partícula,
un hexaquark!. Crèdit Imatge: Illustris Project

Un exòtic hadró, format per sis quarks, ja havia estat considerat per Freeman Dyson al 1964. Després del seu probable descobriment fa uns anys, dos físics suggereixen que cúmuls d'aquests hadrons en forma de condensat de Bose-Einstein deixat pel Big Bang podrien donar informació sobre la matèria fosca. 

Probablement és la moda del moment sobre la matèria fosca i es basa en un document a priori força seriós des que va ser publicat a Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics i que per tant va ser examinat per alguns experts companys dels autors de l'article, dos físics que treballen a la Universitat de York al nord d'Anglaterra, Mikhail Bashkanov i Daniel Watts.

Tal com expliquen els dos investigadors a l’article disponible en accés gratuït a arXiv, proposen un escenari per explicar la matèria fosca basat no només en la física de partícules coneguda, sinó a partir d’una partícula que tenim de fet, fa uns anys i que es destaca en els laboratoris terrestres, un hadrò exòtic que conté sis quarks. 

La idea és, doncs, probablement més atractiva per als que no els agrada postular l’existència de noves partícules a partir d'una nova física, de les quals encara malauradament no veiem cap rastre en acceleradors o detectors a l’espai com el AMS o enterrats com a Xenon1T.

Interpretació artística d'un hexaquark del tipus dibarió. Hi ha dos quarks
constituents per cadascuna de les tres càrregues de color.

Aquest “hexaquark” va ser batejat com a d*(2380), però sobretot, el seu descobriment va confirmar una predicció teòrica feta el 1964 pel llegendari Freeman Dyson amb el seu col·lega Nguyen-Huu Xuong, pocs mesos després que George Zweig i Murray Gell-Mann publiquessin la seva teoria del quark. Malauradament Freeman Dyson acaba de morir i per tant hauria estat interessant saber què pensava de les idees que van presentar Mikhail Bashkanov i Daniel Watts. 

 

Bose-Einstein es condensa a partir d'un hadró exòtic

Recordem que els barions són partícules compostes per tres quarks, com el protó i el neutró, mentre que els mesons estan compostos per un quark i un antiquark. De fet, d*(2380) podria ser més aviat un dibarió, és a dir una mena d'estat lligat de dos barions ja que dos àtoms poden formar una molècula.

  Un vídeo (en francés) que explica el concepte de condensació de Bose-Einstein.
© Grup de recerca "La Physique Autrement" amb el suport de labex PALM

Recordem també que postulem l’existència de la matèria fosca perquè les estrelles dins les galàxies i les galàxies en cúmuls de galàxies tenen velocitats massa elevades que semblen trair, després de milers de milions d’anys, l’existència d'una distribució de massa superior a la de les estrelles o del gas i que sabem, per diverses raons, que aquesta distribució de masses que no irradia no pot estar formada per protons i neutrons, per tant, barions del Big Bang. Les partícules que constitueixen la matèria fosca han de ser especialment estables. Tot i això, d*(2380) és molt inestable, es desintegra molt ràpidament, cosa que a priori l’exclou com a candidat al títol de partícula de matèria fosca. 

Però sembla que Mikhail Bashkanov i Daniel Watts han trobat una sortida. Els seus càlculs suggereixen que quan un gran nombre de d*(2380) estan presents i formen una espècie de gas, poden unir-se per donar el que s’anomena condensat de Bose-Einstein. De fet, un estat quàntic col·lectiu d’un gas de partícules previst per Albert Einstein el 1925, basat en el treball de Satyendra Nath Bose, i que va ser posat en evidència el 1995 per Eric Cornell i Carl Wieman, un descobriment que els hi va valer el Premi Nobel de Física el 2001.

Un condensat de Bose-Einstein de d*(2380) seria prou estable segons ells per constituir una partícula de matèria fosca. Es mantindria fins a una mida de l'ordre d'un àtom, per tant un Ångström, i podria pesar fins a uns quants grams. És possible una àmplia gamma de mides i masses i d'una quantitat suficient d’aquestes gotes de condensat BE, formades per un gran nombre d’hexaquarks (d’uns quants milers a pocs milions), podria haver estat produida pel Big Bang donant informació de la quantitat de matèria fosca observada, sempre segons els càlculs dels investigadors. Serien vestigis de la transició de fase després d’haver passat el quagma (el plasma de quarks i gluons lliures) a gotes de líquid hadrònic, és a dir els protons i els neutrons després que l’Univers s'hagués suficientment refredat en el moment del Big Bang.

Trieu l'idioma dels subtítols a la configuració del vídeo. Una presentació del quagma. La
primera creació d’aquest plasma de quarks i gluons per part de la Humanitat va ser
anunciada el febrer del 2000 pels investigadors del CERN. L’estudi d’aquest plasma va
continuar després, especialment al Laboratori Nacional de Brookhaven als Estats Units,
en particular amb el RHIC, (Relativistis Heavy Ion Collider). Es produeix principalment
a l'accelerar en direccions oposades dos feixos de nuclis pesats, coure o or per fer-los xocar
frontalment. El mateix es pot fer al LHC amb nuclis de plom. Així, es van realitzar experiments
similars sobre el quagma amb el detector ALICE.  © Fermilab

Excepte que hi hagi captura, aquests condensats haurien de ser molt, molt fortament carregats positivament, per tant, irradien copiosament llum quan són accelerats en els raigs còsmics, per exemple. Per tant, un condensat de d*(2380) NO és matèria fosca ... tret que s’envolti d'altres partícules carregades negativament (antiprotons, electrons?) Per formar un estat lligat i neutre com un àtom.

Una variació sobre el tema de "quark nuggets"

Això és el que postulen Mikhail Bashkanov i Daniel Watts, però òbviament fa que la seva hipòtesi sigui més complicada i, per tant, menys creïble. Tanmateix, formant l’anàleg d’un àtom amb electrons molt fortament lligat a un nucli molt pesat i molt carregat positivament, podria tenir línies d’emissions exòtiques detectables, cosa que faria que la matèria fosca no fos completament fosca i obriria una possible finestra d’observació per provar l’escenari dels dos físics.

De fet, ens trobem davant d’una variant de les teories plantejades des del començament dels anys vuitanta per explicar l’existència de la matèria fosca a partir de cúmuls de quarks, en particular a les obres del 1984 d’Edward Witten, el gran teòric de les supercordes i guanyador de la medalla Fields en matemàtiques, que va conduir al que s’anomenen quark nuggets o estranyets. En aquest cas, eren grups de moltíssims quarks formats per un terç de quarks u, un altre de quarks d i finalment un darrer terç de quarks estranyets, que tornaria a ser estable però carregats positivament i, per tant, haurien d’envoltar-se, per exemple, d’electrons per ser neutres. Witten també creia que es podrien haver creat grans quantitats d’estranys al principi de la història de l’Univers observable, quan es va refredar prou perquè el quagma es condensés en hadrons.

Hem buscat aquests estranyets en experiments d’acceleradors, sense èxit fins ara. Es podien observar en forma de nuclis molt pesats amb una càrrega elèctrica dèbil en els productes de les col·lisions. Podem pensar que és possible una troballa similar amb els condensats de d*(2380), suposant que existeixen ...

Ho he vist aquí.

Detectada la "partícula X" del principi dels temps al Gran Col·lisionador d'Hadrons

La misteriosa partícula revelarà informació sobre els primers moments de l'univers. 

Els físics del destructor d'àtoms més gran del món han detectat una misteriosa partícula primordial del principi dels temps.

Un centenar de partícules "X" de curta vida -així anomenades per la seva estructura desconeguda- van ser detectades per primera vegada enmig de bilions d'altres partícules dins del Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC), l'accelerador de partícules més gran del món, situat a prop de Ginebra al CERN (l'Organització Europea per a la Recerca Nuclear).

Clic per engrandir. La partícula es va produir dins del Gran Col·lisionador d'Hadrons del
CERN. (Crèdit de la imatge: Shutterstock)

Aquestes partícules X, que probablement van existir en les més petites fraccions de segon després del Big Bang, van ser detectades dins d'una sopa de partícules elementals anomenat plasma de quark-gluons, format al LHC en xocar ions de plom. En estudiar les partícules X cabdals amb més detall, els científics esperen construir la imatge més precisa fins ara dels orígens de l'univers. Van publicar els seus resultats el 19 de gener a la revista Physical Review Letters. 

"Això només és el principi de la història", va dir en un comunicat l'autor principal, Yen-Jie Lee, membre de la col·laboració CMS del CERN i físic experimental de partícules de l'Institut Tecnològic de Massachusetts. "Hem demostrat que podem trobar un senyal. En els propers anys, volem utilitzar el plasma de quark-gluó per sondejar l'estructura interna de la partícula X, cosa que podria canviar la nostra visió de quin tipus de material hauria produït l'univers".

Els científics remunten els orígens de les partícules X a unes poques milionèsimes de segon després del Big Bang, quan l'univers era una sopa de plasma sobreescalfada a un bilió de graus plena de quarks i gluons, partícules elementals que aviat es van refredar i es van combinar en els protons i neutrons més estables que coneixem avui.

Just abans d'aquest ràpid refredament, una petita fracció dels gluons i els quarks van col·lidir, pegant-se per formar partícules X de molt curta durada. Els investigadors no saben com es configuren les partícules elementals per formar l'estructura de la partícula X. Però si els científics aconsegueixen esbrinar-ho, tindran una comprensió molt millor dels tipus de partícules que abundaven durant els primers moments de l'univers.

Per recrear les condicions d'un univers a la seva infància, els investigadors del LHC van disparar àtoms de plom carregats positivament entre si a gran velocitat, fent-los xocar per produir milers de partícules més en una explosió momentània de plasma que s'assembla a la sopa primordial caòtica del univers jove. Aquesta va ser la part fàcil. El més difícil va ser examinar les dades de 13.000 milions de col·lisions d'ions per trobar les partícules X. 

Clic per engrandir. Els físics han trobat proves de l'existència de rares partícules X al plasma de
quark-gluó produït al Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC) del CERN. Les troballes podrien
redefinir els tipus de partícules que abundaven a l'univers primitiu. Crèdit: CERN

"En teoria, hi ha tants quarks i gluons al plasma que la producció de partícules X hauria de ser més gran", va dir Lee. "Però la gent pensava que seria massa difícil cercar-les, perquè hi ha moltes altres partícules produïdes en aquesta sopa de quarks". 

Però els investigadors tenien una pista útil per treballar. Encara que els físics de partícules no coneixen l'estructura de la partícula X, sí que saben que hauria de tenir un patró de desintegració molt definit, ja que les partícules "filles" que produeix haurien de sortir disparades a través d'una varietat d'angles molt diferents dels produïts per altres partícules. Aquest coneixement ha permès als investigadors crear un algorisme que detecta els signes reveladors de dotzenes de partícules X. 

"És gairebé impensable que puguem extreure aquestes 100 partícules d'aquest enorme conjunt de dades", va dir al comunicat el coautor Jing Wang, físic del MIT. "Cada nit em preguntava: ¿és això realment un senyal o no? I al final, les dades deien que sí".

Ara que els investigadors han identificat la signatura de la partícula X, en poden determinar l'estructura interna. Els protons i els neutrons estan formats per tres quarks estretament units, però els investigadors creuen que la partícula X tindrà un aspecte totalment diferent. Com a mínim, saben que la nova partícula conté quatre quarks, però no saben com estan units. La nova partícula podria estar formada per quatre quarks units amb la mateixa força, la qual cosa la convertiria en una partícula exòtica anomenada tetraquark, o per dos parells de quarks -anomenats mesons- poc units entre si.

"Actualment, les nostres dades coincideixen amb les dues [estructures] perquè encara no tenim prou estadístiques", va dir Lee. "En els propers anys, prendrem moltes més dades per poder separar aquests dos escenaris. Això ampliarà la nostra visió dels tipus de partícules que es van produir abundantment a l'univers primitiu".

Ho he vist aquí.