El experimento ALICE del LHC en el CERN ha medido la diferencia entre los cocientes carga/masa del deuterón y del antideuterón, y del núcleo de helio-3 y del antihelio-3. Gracias a ello obtiene la verificación más precisa de la invariancia CPT con núcleos ligeros. Recuerda que el deuterón (antideuterón) es el núcleo del deuterio (antideuterio) y está formado por un protón (antiprotón) y un neutrón (antineutrón); y que el núcleo del helio-3 (antihelio-3) son dos protones (antiprotones) y un neutrón (antineutrón).

El artículo es ALICE Collaboration, «Precision measurement of the mass difference between light nuclei and anti-nuclei,» Nature Physics, AOP 17 Aug 2015, doi: 10.1038/nphys3432. En este blog nos enteramos el 13 de agosto gracias a un comentario de Hector Bello Martinez (miembro de ALICE) que nos recomendó leer ALICE-PUBLIC-2015-002 [PDF] y el seminario LHC de Francesco Noferini sobre el tema. Hector, siento no haber tenido tiempo de escribir esta entrada antes.

 

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) es el detector del LHC especializado en estudiar la colisiones entre iones pesados (Pb-Pb). En estas colisiones a una energía en el centro de masas de 2,76 TeV por nucleón se producen tanto núcleos ligeros como sus correspondientes antinúcleos a un ritmo muy similar. Estos núcleos (antinúcleos) se comportan como partículas (antipartículas) y se detectan por un proceso similar, al menos hasta el helio-4 (antihelio-4). Gracias a ello se puede estudiar la invarianza CPT usando núcleos ligeros.

Esta figura muestra algunos espectros obtenidos para el protón (antiprotón), deuterio (antideuterio) y núcleo de helio-3 (antihelio-3) en función del cociente masa/carga (m/z) al cuadrado. La comparación entre la figura de abajo y la de arriba permite estimar la diferencia entre este parámetro para la materia y a la antimateria, es decir, permite estudiar la invariancia CPT. Recuerda que C es la conjugación de carga (cambio de signo de la carga), P es la paridad (simetría de reflexión en un espejo) y T es la inversión temporal (cambiar la dirección de la flecha del tiempo).

La invariancia CPT implica que toda interacción entre varias partículas reflejada en un espejo es físicamente posible si se cambian las partículas por antipartículas y la dirección de la flecha del tiempo. La interacción débil (la mediada por bosones W y Z en la que intervienen neutrinos) viola las simetrías P (o TC) y CP (o T), pero como toda teoría cuántica de campos conserva la simetría CPT. Ni el electromagnetismo, ni la interacción fuerte, ni la gravedad violan ninguna de las simetrías discretas C, P o T de forma individual.

Esta figura muestra el resultado final obtenido al comparar (restar) los espectros de la figura de más arriba para el deuterón y para el núcleo del helio-3. El resultado es la medida más precisa hasta el momento de la invariancia CPT usando núcleos ligeros. Para el deuterio se obtiene una precisión de dos partes por diez mil y para el helio-3 de dos partes por mil.

Estos resultados confirman la invariancia CPT con núcleos ligeros, como ilustra esta figura que compara los nuevos resultados experimentales con los que ya se conocían (medidas similares obtenidas hace más de 40 años), así como con la predicción teórica (línea a trazos vertical).

La invariancia CPT es un teorema matemático para toda teoría cuántica de campos invariante Lorentz (Poincaré) y con evolución unitaria. Pero no hay ninguna ley física que imponga que la Naturaleza deba cumplir ningún teorema matemático (en la historia de la ciencia hay muchas excepciones). De hecho, como bien sabrás, se han propuestas varias teorías que violan la invariancia Lorentz (como la gravedad cuántica de bucles y ciertas extensiones del modelo estándar). Estudiar la invariancia CPT mediante experimentos nos permite restringir el espacio de parámetros de estas teorías (y a muy largo plazo descartarlas).