LHCb observa por primera vez indicios de la asimetría materia-antimateria en mesones D0


La colaboración internacional LHCb, donde participan investigadores españoles de las Universidades de Barcelona, Santiago de Compostela y Ramón Llull, presentó esta semana en París resultados que muestran los primeros indicios de asimetría materia-antimateria, lo que los científicos denominan ‘violación de carga-paridad’ o ‘violación CP’, en la producción de partículas llamadas mesones D0 y sus antipartículas. La diferente tasa de desintegración medida entre ambas para una desintegración concreta podría significar la primera divergencia en la descripción de las propiedades de violación de CP en la teoría actual, el denominado Modelo Estándar. Ello daría la primera pista hacia la resolución del enigma materia-antimateria, que consiste en que el modelo estándar no puede explicar por qué el Universo que conocemos está hecho sólo de materia, cuando en el Big Bang se produjeron iguales cantidades de materia y antimateria.

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Los mesones D0 son partículas compuestas por un quark encanto (c, del inglés charm) más un antiquark arriba (u, del inglés up), y de sus antipartículas, compuestas de un antiquark encanto más un quark arriba (u). Según explica la colaboración internacional, el modelo estándar predice que la violación de CP en los quarks encanto ha de ser muy pequeña. Sin embargo, al observar sus tasas de desintegración en otras partículas los científicos de LHCb han obtenido resultados sorprendentes.

El estudio de la física de quark encanto no estaba en los planes iniciales de LHCb, un experimento diseñado para estudiar la física del quark b, uno de los más pesados del modelo estándar. Pero hace un año, la colaboración decidió ampliar el rango de procesos físicos a analizar para incluir, entre otros estudios, el de la física del quark encanto.



El nuevo sistema de adquisición y filtrado de datos de LHCb permite seleccionar gran cantidad de procesos de desintegración de mesones D0. Otros experimentos anteriores habían realizado la misma medida pero es la primera vez que se consigue con alta precisión, gracias a la gran cantidad de datos obtenida por LHCb. Según los investigadores de la colaboración, el resultado presentado en la conferencia de HCP2011 de París tiene un nivel de confianza de 3,5 desviaciones estándar, es decir, la probabilidad de que se trate de una fluctuación estadística y no de un efecto real de violación CP es menor al 0.1%.

"Hemos observado los modos de desintegración del mesón D0", explica el portavoz de LHCb, Pierluigi Campana. "En particular, hemos estudiado y comparado las tasas de decaimiento de D0 y su antipartícula. De acuerdo con el modelo estándar, deberíamos haber medido un valor muy pequeño de un parámetro conocido como Delta ACP que se calcula con estas tasas de desintegración y se relaciona con las propiedades de la materia y la antimateria. Hemos encontrado que el valor de Delta ACP es de alrededor de 0,8% en lugar del pronosticado de 1‰ (o menos). A pesar de que hacer una evaluación precisa de los procesos en los que está involucrado el quark encanto es difícil, el parámetro Delta ACP parece ser mucho mayor de lo esperado”, resume.

 

Mientras los físicos teóricos ya han comenzado a investigar el resultado inesperado para revisar posibles explicaciones o buscar nuevas causas, los físicos experimentales del LHCb tratan de llevar su análisis aún más lejos. "Hasta ahora hemos analizado sólo un 60% de los datos disponibles en 2011", dice Pierluigi Campana. "Tenemos la intención no sólo de completar el análisis, sino también de llevar a cabo controles independientes utilizando diferentes enfoques y estrategias".

La colaboración LHCb y los teóricos celebraron una reunión conjunta en el CERN el 10 y 11 de noviembre para discutir el posible impacto de los resultados de LHCb en las teorías actuales. La utilización de más datos  en la medida existente de LHCb y las nuevas medidas independientes previstas por la colaboración contribuirán a aclarar la situación. Los nuevos resultados deberían estar disponibles a principios de 2012.

http://www.fpa.csic.es

Enlaces:

 

Los rumores indicaban que hoy en París, en el congreso HCP 2011, la colaboración LHCb iba a presentar una gran sorpresa relacionada con la violación de la simetría CP y así ha sido. Por primera vez se ha observado la violación de la simetría CP en las desintegraciones de los mesones encantados: cierto parámetro técnico es 80 veces mayor de lo esperado. En concreto se han estudiado las desintegraciones de los mesones D0, que están compuestos de un quark encanto (c) más un antiquark arriba (u), y de sus antipartículas, compuestas de un antiquark encanto (c) más un quark arriba (u). Sus desintegraciones Dº?K-K+, y Dº??-?+, y las de su antipartícula determinan el valor de un parámetro llamado ?ACP que según los modelos teóricos debería ser menor de 0,01 %. La sorpresa es que LHCb ha medido un valor de ?ACP = -0,82 ± 0,21 ± 0,11 % (con 3,5 ? de confianza estadística tras analizar 0,58 /fb de datos de 2011, es decir, el 60% de todas las colisiones en LHCb durante 2011); lo dicho, un valor más de 80 veces mayor del esperado. Siempre se había pensado que la violación de la simetría CP en los mesones con quarks encanto (c) era casi nula, muy pequeña e incapaz de explicar la asimetría materia-antimateria tras la gran explosión. Este resultado es todavía provisional y tendrá que ser confirmado tras el análisis de más datos de colisiones, pero su importancia es enorme. Las transparencias de la charla de Mat Charles (Oxford), on behalf of the LHCb collaboration, “Search for CP violation in two-body charm decays at LHCb,” HCP 2011, 14 Nov. 2011. Noticia en la web del CERN en Antonella Del Rosso, “Charming surprise,” CERN News, 14 Nov. 2011, y en la web de LHCb, “CP violation in charm decays,” LHCb, 14 Nov. 2011.

 

 

Según nos cuentan en la noticia del CERN, hubo una reunión interna los días 10 y 11 de noviembre para discutir el impacto en las teorías actuales de este gran descubrimiento obtenido por la colaboración LHCb. Por supuesto, el resultado todavía es provisional y tendrán que ser confirmado (se espera la confirmación para principios de 2012 cuando se analicen el resto de los datos de las colisiones de 2011 aún almacenados en cinta), pero sus implicaciones sobre la asimetría entre materia y antimateria son muy importantes. De confirmarse significaría que el modelo estándar esconde en su interior la explicación de esta asimetría sin necesidad de nueva física (como esperaban impacientes muchos teóricos). La razón por la cual este resultado se había ocultado en los experimentos es porque la física del encanto (charm physics) de precisión es muy difícil de estudiar en los aceleradores anteriores como LEP y el Tevatrón...[] sigue

¿Cuál es la relación entre la violación de la simetría CP y la asimetría materia-antimateria en el universo? La idea es sencilla, la simetría CP aplicada a una partícula la transforma en su (como indica la figura de arriba), por lo que cualquier proceso que viole la simetría CP implica que dicho proceso actúa de forma diferente en partículas y antipartículas. Se cree que en los primeros instantes de la Gran Explosión (Big Bang) existía la misma cantidad de materia que de antimateria; pero hoy en día observamos un universo de materia sin ninguna antimateria (que sepamos no hay galaxias de antimateria, aunque nada prohíbe su existencia), con muchos más fotones (y neutrinos) que bariones (protones y neutrones en los núcleos de los átomos). Como la materia y la antimateria se aniquilan mutuamente produciendo energía (fotones), se puede explicar esta asimetría si toda la materia se aniquiló con toda la antimateria, salvo una minúscula cantidad. Este proceso asimétrico requiere, entre otras cosas, una pequeña violación de la simetría CP en la física de partículas. El problema es que la asimetría CP del modelo estándar que ha sido observada en los experimentos es demasiado pequeña para explicar la simetría materia-antimateria y se cree que debe haber asimetrías aún no observadas (como la que ha observado LHCb).

¿Cuál es la relación entre el resultado de LHCb y la simetría CP? Lo que se ha observado en LHCb son procesos de desintegración de un partícula (mesón D neutro) y de su antipartícula, que por ser ambas neutras se desintegran en pares de partícula-antipartícula (dos piones o dos kaones). Si la simetría se conservara en estas desintegraciones, no habría diferencia alguna entre la partícula y su antipartícula, serían indistinguibles si solo observamos sus desintegraciones (las distinguimos porque ellas mismas se producen en procesos diferentes). Sin embargo, LHCb ha observado una pequeña diferencia entre los modos de desintegración de la partícula y de su antipartícula, lo que las hace distinguibles estadísticamente. Esta pequeña asimetría es enorme, ya que según se cree el modelo estándar predice un valor muy pequeño para ella. Por eso esta inesperada noticia es bastante sorprendente.

¿Por qué es difícil observar estas desintegraciones en LHCb? Este experimento está centrado en el estudio de la física asociada a los quarks fondo (bottom o b). Las colisiones que se almacenan en disco para su análisis posterior son seleccionadas en tiempo real por un sistema de disparadores (triggers) que han sido ajustados para discriminar colisiones con quarks bottom y obviar las colisiones con quarks de menor masa (como los charm o c). Sin embargo, cierto número de triggers se han dedicado a estudiar las colisiones que no tienen quarks b (el porcentaje de datos almacenados en disco en dicho caso es pequeño, no sé exactamente cuál es). La idea principal es hacer chequeos de precisión del modelo estándar y comprobar que todo se está haciendo correctamente con los quarks b. Pero para sorpresa de muchos, se ha observado algo inesperado e interesante en estos eventos. Una violación de la simetría CP mayor de la esperada. Supongo que durante 2012 se dedicará mayor atención a este tipo de colisiones y se incrementará el slot dedicado a la física del encanto en el LHCb.

PS (16 nov. 2011): Muy interesante esta entrada de Sean Carroll, “New Physics at LHC? An Anomaly in CP Violation,” Cosmic Variance, 14 Nov. 2011. Según Sean el LHC ha entrado en la era de los “resultados a tres sigma” (3-Sigma Results), donde la excitación por los nuevos resultados es gratis pero la mayoría se los llevará el viento del olvido. Hay que recordar que “3 sigma” es el mínimo requerido para que un físico pueda tomarse seriamente un resultado y el nuevo resultado de LHCb tiene 3,5 sigmas. Sean trata de explicar el resultado (en la línea de Jester en Résonaances) y os recomiendo su lectura y su frase final: “yo creo que debemos excitarnos por el descubrimiento de nuevas partículas y no por pequeños efectos que puedan tener consecuencias cosmológicas” (traducción libre de “My strong feeling is that we should be excited by discovering new particles of nature, and not rely on the crutch of relating everything to cosmology.”)....[]

Articulo en http://francisthemulenews.wordpress.com

No salen letras griegas Delta ...etc en el articlo original de francis , podreis verlo con detalle.

LHCb Experiment - Footages

The LHCb detector components.

LHCb - The Beauty Experiment

CERN Stockshots 2011: LHCb experiment

The LHCb Collaboration has presented today at the Hadron Collider Particle Symposium in Paris possible first evidence for CP violation, the difference between behaviour of matter (particles) and antimatter (antiparticles), in charm decays. The study of CP violation in both charm and beauty particle decays is central to the LHCb physics programme. In the Standard Model CP violation is expected to be very small in the charm sector, whereas new physics effects could generate enhancements.

In this new analysis the LHCb physicists have used data collected in the first half of the 2011 run to study the differences in decay rates of neutral D meson particles composed of a charm quark c bound with an up antiquark (u) and D meson antiparticles (D) composed of a charm antiquark (c) bound with an up quark (u). The decays of D*+ mesons into D mesons and Delta+, and D*-mesons into D mesons and ?- were used to select the D and D mesons. In the next step of the analysis the difference (asymmetry ACP) between the decay rates of D and D mesons into K+K pairs as well as into Dela+?- pairs was measured. By determining the difference, DeltaACP, in CP asymmetries for the K+K- and Delta+?- decays, the analysis strongly suppresses possible measurement biases which could arise through effects related to particle production, selection etc. The following preliminary result is obtained:

DeltaACP = (-0.82 ± 0.21 (stat.) ± 0.11 (sys.) )% [ 3.5 sigma significance for experts ]

A very interesting period now begins. LHCb physicists are analysing the remainder of the data collected in 2011. If the result is confirmed theoretical work will be required to establish whether this effect can be accommodated in the framework of the Standard Model, or whether a new physics explanation is required.

 

click the image for higher resolution

The figures show the invariant mass distribution of the K-K+ (around 1.4 million) and ?-?+ (around 0.4 million) pairs. The distributions are centered at the D meson mass of 1865 MeV.

http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/

Modelo Estandar de Particulas

Supersymmetry

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