Nueva física para el año nuevo en el experimento CDF del Tevatrón en el Fermilab

Por Francisco R. Villatoro, el 7 enero, 2011. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science

Cierta evidencia de nueva física a alta energía en el Tevatrón del Fermilab pasa de 2σ a 3σ (todavía lejos de las 5σ necesarias para un descubrimiento). Compara tú mismo el valor teórico 0’088 ± 0’013 y los valores experimentales 0’116 ± 0’153 (para Mtt <= 450 GeV/c²) y 0’475 ± 0’114 (para Mtt > 450 GeV/c²) de un parámetro del modelo estándar llamado asimetría adelante-atrás (forward-backward asymmetry) en la producción de pares de quarks top-antitop (con una masa Mtt en el centro de masas). El valor experimental para alta energía (Mtt mayor de 450 GeV) difiere del valor teórico en 3σ, ¿señal de nueva física? Quizás sí, quizás no. Ya se sabe que los experimentos al borde del patíbulo siempre proclaman nueva física a la vista, pero no siempre las Indias son América. El valor teórico se ha obtenido utilizando correcciones cromodinámicas (QCD) de segundo orden (NLO o next-to-leading order). Los valores experimentales han sido obtenidos tras analizar 5’3 /fb de colisiones por el detector CDF del Tevatrón en el Fermilab, para los despistados, a las afueras de Chicago, EE.UU. La evidencia de nueva física para energías altas es de 3 sigmas de intervalo de confianza (C.L.), cuando artículos previos con menos colisiones analizadas tanto en CDF como en DZero ofrecían una evidencia a solo 2 sigma C.L. Todavía es pronto para que redoblen las campanas. El artículo técnico es CDF Collaboration, «Evidence for a Mass Dependent Forward-Backward Asymmetry in Top Quark Pair Production,» Fermilab-Pub-10-525-E, Jan. 4, 2011 [disponible en ArXiv, 30 Dec. 2010]. Se han hecho eco de la noticia varios blogs, recomiendo a Jester, «New Physics for the New Year from CDF,» Resonaances, 4 January 2011.

¿De qué va todo esto? En el Tevatrón colisionan protones contra antiprotones y se producen a veces pares de quarks top-antitop. Podemos contar el número de quarks top que se producen en la dirección hacia adelante, forward, la dirección del haz de protones, y el número de los que se producen en la dirección hacia atrás, backward, la dirección del haz de antiprotones. Lo mismo se puede hacer con el número de antiquarks antitop. Según el modelo estándar la producción de pares de quarks top-antitop debería ser casi simétrica, es decir, se deberían producir tantos quarks top en la dirección hacia adelante como en la dirección hacia atrás. Casi porque es simétrica en colisiones quark contra antiquark y ligeramente asimétrica en colisiones de protones contra antiprotones, ya que son partículas compuestas. Sin embargo, los resultados experimentales apuntan a que los quarks top prefieren la dirección hacia adelante y los antitops prefieren la dirección hacia atrás. Este nuevo resultado de CDF se basa en el análisis de los pares de quarks top-antitop en los que uno de los dos (top o antitiop) decae en un quark bottom, un leptón y un neutrino, y el otro decae en tres quarks. El análisis de estos productos de desintegración permite determinar con precisión el momento de ambos quarks y su dirección. Con otras desintegraciones no es fácil determinarlo.

Los físicos de la colaboración CDF han dividido los eventos estudiados en dos grupos, dependiendo de la masa (invariante) asociada al par de quarks top-antitop. Cuando esta masa es menor que 450 GeV, la asimetría observada es negativa, -12±15 %, y en perfecto acuerdo con las predicciones del modelo estándar, 4 %. Pero para eventos de alta energía, con una masa invariante mayor de 450 GeV la asimetría observada es del 48±11 %, que hay que comparar con la predicción teórica de 8%. Esta desviación estadística tiene una confianza de 3’4 desviaciones típicas. Más aún, la asimetría crece conforme la masa del par de quarks top crece. 

¿Podrá confirmar el LHC del CERN este efecto? En las colisiones protón-protón del LHC será muy difícil verificar este efecto: Su causa podría descubrirse por otros medios, pero observar esta asimetría es imposible, las colisiones pp son simétricas. El Tevatrón analiza colisiones protón-antiprotón luego es más propenso a observar este tipo de asimetrías. ¿Por qué he dicho que «ya se sabe que los experimentos al borde del patíbulo siempre proclaman nueva física a la vista«? Porque para confirmar de forma definitiva este importante resultado es necesario que el Tevatrón continúe tomando datos durante varios años. Si como está previsto finaliza sus días a finales de este año, todos nos quedaremos con la miel en los labios. Por el bien de la física teórica, comparto el deseo de muchos físicos a ambos lados del Atlántico de que el Congreso de EE.UU. apruebe la financiación del Tevatrón hasta 2014. La fe es lo último que se pierde.

Por cierto, si el efecto se confirma, ¿cuál puede ser la causa? Hay muchas posibles explicaciones teóricas propuestas en los últimos años. Se trataría de algún fenómeno físico que se acopla de forma diferente al quark top que al antitop (o las componentes dextrógira y levógira de cada quark): Nuevos bosones vectoriales (Z’ o W’), partículas supersimétricas, partículas debidas a dimensiones adicionales tipo Kaluza-Klein, axigluones, nuevos leptones, etc. Muchas propuestas pero ninguna en firme hasta que estos resultados experimentales se confirmen. Más información en Germán Rodrigo (IFIC, CSIC), «Update on the top quark charge asymmetry,» Workshop on Heavy Particles at the LHC, Zürich, 5-7 Jan. 2011.



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