La física del quark top se congregó la semana pasada en la Costa Brava española

Por Francisco R. Villatoro, el 4 octubre, 2011. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticias • Physics • Science ✎ 1

La vida del quark top es tan corta (media billonésima de billonésima de segundo) que es el único quark que no forma hadrones (ni mesones ni bariones), pues no le da tiempo de formarlos antes de desintegrarse (el tiempo de hadronización es 10 veces mayor, suficiente para hadronizar todos los quarks excepto el top). Por ello, el top es de enorme importancia para estudiar las propiedades de un quark aislado, ya que el resto de los quarks se observan dentro de mesones o bariones. La cuarta conferencia internacional sobre la física del quark top se ha celebrado en Sant Feliu de Guixols, en la Costa Brava española (TOP 2011). Quería haberme hecho eco del evento durante su desarrollo, pero no ha podido ser. Para los interesados, el mejor punto de partida es la charla de Adrian Signer (Univ. Durham), “Top Quark: Theory Status,” TOP 2011, que repasa el contenido/objetivo de todas las sesiones, y la charla de Roberto Tenchini (INFN Pisa), “Top2011: a summary of the workshop,” TOP 2011, que resume lo más relevante del evento (la figura de abajo es de dicha charla).

El Tevatrón del Fermilab ha cedido el testigo de la física del quark al LHC del CERN, que ya es toda una fábrica de quark tops; basta recordar que en un solo día, el 14 de septiembre, en el fill #2105, que duró 16,5 horas y se grabaron en disco 113,4 /pb de datos (2,6 veces más datos que en todo el año 2010), se produjeron unos 18 000 pares top-antitop (fuente del dato). La gran diferencia entre el LHC y el Tevatrón es el problema del pileup (el apilado de colisiones o vértices primarios); en el LHC ya se han registrado colisiones con 20 vértices primarios, lo que complica mucho el análisis de precisión de estas colisiones (que más parecen un plasma de quarks y gluones que otra cosa). El otro gran problema de la física del top en el LHC son las predicciones teóricas, cuya incertidumbre (para la aproximación NLO es del orden del 5%) es mayor que error experimental que se está logrando (y que está bajando conforme se acumulan colisiones); los físicos teóricos calculistas (fenomenólogos) tienen mucho trabajo por delante, porque el futuro de la física de partículas es la física de precisión. Por ejemplo, el modelo estándar predice que 0,9990 < |Vtb| < 0,9992 al 90% CL, pero los resultados experimentales (ver la figura de arriba) tienen todavía un error del orden del 10%. Determinar si hay desviaciones con respecto al modelo estándar significará que hay algo más. Pero por ahora todo indica que la física del quark top es la predicha por el modelo estándar, salvo por la famosa asimetría adelante-atrás (forward-backward asymmetry) en la producción de quarks y antiquarks top en las colisiones protón-antiprotón del Tevatrón (cuando la energía del par top-antitop es mayor de 450 GeV, resulta que el top prefiere emitirse en la dirección del haz de protones incidente y el antitop prefiere emitirse en la dirección del haz de antiprotones, pero mucho más de lo que el modelo estándar predice; ver la figura de abajo). Posibles explicaciones teóricas a esta anomalía son revisadas por J. A. Aguilar Saavedra (Univ. Granada), “Overview of models for the tt asymmetry,” TOP 2011, y la posibilidad de observarla en LHC por Thomas Pfeiffer, “Charge asymmetry at LHC,” Top 2011, y por Freya Blekman, “Searches for same-sign top pair production at the LHC,” Top 2011, entre otros.

Cambiando de tema, muy emotiva ha sido la charla de Yvonne Peters (Univ. Manchester, on behalf of CDF & DZero), “Tevatron Legacy,” Top2011. Yvonne nos recuerda que en 1992, el experimento CDF del Tevatrón determinó el primer límite inferior para la masa del top, Mtop > 91 GeV; en 1994, el experimento DZero hizo lo propio, Mtop > 131 GeV; combinados estos datos con los de LEP se obtenía en 1994 un intervalo de masas 155 GeV < Mtop < 185 GeV; a finales de 1994 ya había “evidencias” débiles de la existencia del quark top en CDF. El 24 de febrero de 1995 se enviaron al mismo tiempo a Physical Review Letters (PRL) dos artículos, uno de CDF y otro de DZero proclamando el descubrimiento del quark top. En DZero se habían analizado 50 /pb de datos de colisiones y se habían observado 17 eventos que indicaban que la masa del top era de Mtop = 199 ± 30 GeV, se había descubierto el top con una evidencia de 4,6 σ. En CDF se habían analizado 67 /pb de colisiones y se habían observado 19 eventos que indicaban que Mtop = 176 ± 13 GeV, con una evidencia de 4,8 σ. Combinando ambos experimentos se concluía que se había descubierto el quark top con una evidencia superior a 5 σ. Quizás algún día le den el Premio Nobel de Física a este descubrimiento.

El LHC obtendrá este año unos 5 /fb de colisiones y el próximo, como mínimo, otro tanto, con lo que a finales de 2012 estarán disponibles más de 10 /fb de colisiones a 7 TeV c.m. en cada uno de los grandes experimentos del LHC, es decir, ATLAS y CMS. ¿Qué se puede esperar conocer con dicha información sobre el quark top? Nos lo cuenta Andrea Giammanco, “Top physics prospects with 10/fb at 7 TeV,” Top 2011. El gran problema del LHC en relación a la física del quark top es el gran error sistemático que tiene su estudio debido a la complejidad de las colisiones. Acumular más de 5 /fb no lleva a una mejora de la precisión en las medidas debido a que estos errores no se reducen acumulando más colisiones; la fuerza bruta, como casi siempre, no permite mejorar los límites de precisión. Los físicos tienen que desarrollar nuevas técnicas de análisis que permitan reducir los errores sistemáticos de algunas medidas concretas. De hecho, los especialistas ya están desarrollando métodos no convencionales para lograrlo, que serán puestos en práctica el año próximo.

En resumen, una gran conferencia que ha tenido lugar en España, demostrando que nuestro país es toda una potencia en física teórica y de altas energías.



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