LHCb observa la asimetría CP en los mesones encantados a 5.3 sigmas

La asimetría materia-antimateria primordial exige que se incumpla la simetría CP (condiciones de Sakharov, 1967). El modelo estándar presenta menos asimetría CP de la necesaria. Por ello, debe ocultar nuevas fuentes de esta asimetría. El detector LHCb ha realizado un descubrimiento histórico, la observación a 5.3 sigmas de la asimetría CP en la desintegración de mesones encantados neutros D0 (que contienen el quark c). En concreto, tras analizar 6 fb-1 colisiones protón-protón a 13 TeV c.m. del LHC Run 2 se ha obtenido una asimetría de ΔACP=(−0.154 ± 0.029)%. Esta asimetría CP en desintegraciones de quarks tipo arriba (c) se suma a la ya observada para quarks tipo abajo (b y s), pero sigue siendo insuficiente. La gran esperanza es que la física de los neutrinos también incumpla la simetría CP lo suficiente como para cumplir con la condición de Sakharov.

LHCb ha observado por primera vez que el mesón encantado D0 = cu, formado por un quark c y un antiquark u, y su antipartícula el mesón D0 = cu, formado por un antiquark c y un quark u, se desintegran mediante la interacción débil con una probabilidad diferente. Ya sabía que la matriz CKM de mezcla de los quarks permite esta asimetría, lo que no quita mérito a su observación. La simetría CP corresponde a reflejar la desintegración en un espejo (simetría P de paridad) y cambiar las partículas por antipartículas (simetría C de conjugación de carga). Si la interacción débil fuera CP-invariante, ambas desintegraciones serían igual de probables. Como no lo es, aparece una fuente de asimetría CP. Como supongo que recordarás, en 1956 se descubrió que la interacción débil incumple la simetría de paridad (P) y en 1964 que también incumple la simetría CP en las desintegraciones débiles de quarks de tipo abajo (mesones extraños). Ahora, en 2019, por primera vez se observa en la desintegración débil de quarks de tipo arriba.

La gran esperanza de quienes confían en el modelo estándar es que la asimetría CP que falta se encuentre en la física de los neutrinos. Si son fermiones de Dirac solo hay una fuente (fase CP) en la matriz PMNS de mezcla de los sabores de los neutrinos; pero si son fermiones de Majorana hay hasta tres fuentes (tres fases CP) en dicha matriz. Una asimetría CP que puede ser más que suficiente para cumplir las condiciones de Sakharov. Por supuesto, la gran esperanza de quienes buscan física más allá del modelo estándar es que la física de neutrinos sea insuficiente; esto sería la primera señal firme de la existencia de nueva física más allá del modelo estándar. Recuerda que la insuficiente asimetría CP en la matriz CKM en 1973 fue el primer indicio de que tenía que existir una tercera familia de quarks y leptones.

Un gran resultado que se ha publicado en LHCb collaboration, “Observation of CP violation in charm decays,” arXiv:1903.08726 [hep-ex]; el anuncio oficial lo han realizado Federico Betti, on behalf of the LHCb Collaboration, “Observation of CP violation in charm decays at LHCb,” 54th Rencontres de Moriond EW 2019, 21 Mar 2019 [slides PDF], y Angelo Carbone, on behalf of the LHCb Collaboration, “Observation of CP violation in charm decays with the LHCb experiment,” 54th Rencontres de Moriond EW 2019, 21 Mar 2019 [slides PDF].

Más información en “Discovery of CP violation in charm particle decays. An important milestone in the history of particle physics,” LHCb News, 21 Mar 2019. Muchos blogs y medios se han hecho eco de este hito de LHCb, como Matt Strassler, “LHCb experiment finds another case of CP violation in nature,” Of Particular Significance, 21 Mar 2019; Michael Banks, “CERN physicists spot symmetry violation in charm mesons,” IOP Physics World, 21 Mar 2019; Sarah Charley, “LHCb discovers matter-antimatter asymmetry in charm quarks,” Symmetry, 21 Mar 2019; etc.

[PS 13 jun 2019] El artículo ya se ha publicado en LHCb Collaboration, “Observation of CP Violation in Charm Decays,” Phys. Rev. Lett. 122: 211803 (29 May 2019), doi: 10.1103/PhysRevLett.122.211803; más información en Hiroaki Aihara, “Charm Reflects Poorly on Anticharm,” APS Physics 12: 52 (29 May 2019) [link]. [/PS]

Sin temor a repetirme, me gustaría resaltar que este resultado de LHCb es todo un hito histórico. Observar por primera un fenómeno físico (aunque estuviera predicho) y lograrlo por encima de cinco sigmas, alcanzando la categoría de descubrimiento, tiene un mérito enorme. Hay que felicitar a todos los físicos de la Colaboración LHCb por su gran trabajo, en especial a los miembros españoles de la colaboración. Gracias, amigos, por vuestro excelente trabajo.

Como bien sabrás los quarks se dividien en dos tipos, los quarks tipo arriba (u, c, t), con carga eléctrica +2/3, y los quarks tipo abajo (d,s,b), con carga eléctrica −1/3. La matriz unitaria CKM (Cabibbo–Kobayashi–Maskawa) describe la mezcla (u oscilación) de los estados de sabor de los quarks, e incluye una fase que cuantifica la asimetría CP en el sector de los quarks. Observada con mesones K (kaones, con quark strange) y mesones B (mesones bellos, con quark bottom), ahora se logra observar en los mesones D (mesones encantados, con quark charm).

No quiero entrar en los detalles técnicos del análisis (quienes estén interesados pueden consultar el artículo). Se ha comparado la desintegración de mesones y antimesones encantados en parejas de kaones (kaón-antikaón) y de piones (pión-antipión). También se han estudiado las desintegraciones semileptónicas de mesones bellos que conducen a mesones encantados. Lo más relevante es que ha sido necesario analizar todos los datos disponibles, todas las colisiones recabadas por LHCb entre 2011 y 2018 (LHC Run1 y LHC Run 2). Sin lugar a dudas un resultado que pasa a los anales de la historia de la física de partículas.



13 Comentarios

  1. Off-topic:

    Las condiciones de Sakharov son piezas de física absolutamente increíble, fundamental y altamente no trivial, entenderlas es propio de un físico muy completo, pensadlo un momento … ¿Cómo demostrar las condiciones?, ¿Cuál es la lógica?.

    Como es usual, el blog de Francis tiene interesantes comentarios y enlaces al respecto: https://francis.naukas.com/2010/07/04/la-asimetria-entre-materia-y-antimateria/

    Lo refrescante de estas noticias es el recordatorio (que continuamente hace Francis) de que aún hay física maravillosa e importante dentro del modelo estándar, no sabemos tanto de sus aspectos no perturbativos y de su “física estadística”. Como diría Francis: “No hay que matar antes de tiempo a la gallina de los huevos de oro”.

    Un pequeño review sobre bariogénesis: https://arxiv.org/pdf/1411.3398.pdf

  2. Digamos que si no se hubiera encontrado lo predicho, lo predicho sería falso, ergo sí es importante. La utilidad práctica entra ya en el reino de la archiexplotada falacia del falso dilema, lo fundamental es como su propio nombre indica, fundamental, para poder pensar en cualquier aplicación práctica futura, es necesario entender hasta la explicación y el entendimiento los fenómenos físicos.

  3. Como bien dice mi estimado amigo Ramiro más arriba estamos tan ansiosos por encontrar nuevos fenómenos físicos que a veces no somos conscientes de que los que ya hemos descubierto son enormemente fascinantes. Tomemos el ejemplo de un electrón: esta “vibración de algo” debe respetar las leyes de la relatividad (y de la MC) lo que quiere decir básicamente que debe permanecer invariante bajo cualquier transformación del grupo de Lorentz. Cualquier observador, en cualquier estado de movimiento, desde cualquier “ángulo” debe “ver” el “mismo electrón” (es decir debe medir los mismos invariantes) esto que parece una tontería tiene implicaciones increíbles: el e- debe “desdoblarse”, “girar” y “mezclar” sus grados de libertad para poder cumplir con este requisito fundamental. A veces es difícil resistirse a pensar que este extraño comporamiento no responda a una cualidad del propio espacio-tiempo más que a una característica de la partícula. Matemáticamente esto se expresa diciendo que un e- es “algo” que es invariante bajo el grupo de Lorentz (L), cualquier componente del grupo L puede ser generado mediante una reflexión espacial seguida de una inversión temporal, esta es la explicación de porque TODAS las partículas deben cumplir la simetría CPT. El hecho de que un positrón sea equivalente a un electrón viajando hacia el pasado y el hecho de que TODAS las leyes fundamentales de la física sean invariantes bajo inversión temporal abre la puerta a explicaciones más “exóticas” pero más interesantes sobre el problema de la asimetría primordial entre materia y antimateria (algo relacionado con nuevos grados de libertad, nuevos Universos y el entrelazamiento cuántico 🙂
    Lo que quería decir con toda esta parrafada es que, en mi opinión, los fenómenos conocidos y demostrados ya apuntan a una realidad completamente diferente a nuestra “realidad clásica convencional”: la MC y el entrelazamiento no apuntan a una realidad “única” sino a una especie de “mezcla de varias realidades”, las partículas fundamentales exhiben nuevos “grados de libertad” y el modelo cosmológico estándar con la inflación exige la existencia de nuevos Universos… conclusión: Nuestro Universo debe formar parte de una realidad más amplia y compleja ¿Podrá la ciencia encontrar pruebas experimentales sólidas de la existencia de esta realidad ampliada?

  4. Hay quin no entiende que el objetivo de la Física fundamental es tratar de describir como funciona la naturaleza en su nivel más fundamental, es decir, conocer sus leyes y simetrías más profundas. Si de este conocimiento se desprende algo práctico pues mejor (algo que muchas veces ocurre aunque haya que esperar un tiempo) pero no es ese el objetivo fundamental. El avance de la ciencia a veces es duro, la ciencia no es un “reality show” que debe ofrecer diversión y entretenimiento a sus espectadores. Algunos como Sabi** incluso defienden que no se deberían hacer más inversiones en Física de partículas porque no tenemos asegurado el encontrar nada. ¿Que hubiera sido de la ciencia si todos los grandes científicos de la historia hubieran adoptado esa actitud? Por cierto, este tipo de personajes, además de anticientíficos son absolutamente incoherentes: dicen defender a la ciencia pero no hacen más atacarla, dicen defender el espíritu crítico y la pluralidad de ideas pero atacan sin piedad incluso económicamente a quienes les critican (parece que Sabi** ha demandado a Lubos por casi 10.000 €). Por suerte para el avance de la ciencia los verdaderos físicos siguen su avance imparable hacia la resolución de los grandes enigmas de la ciencia.

    1. Has tocado el punto capital: dinero.

      Cuando uno lee acerca de los últimos 100 o 200 años de la ciencia, es tremendamente fácil dejarse seducir por la impresión de que “antes la ciencia avanzaba rapidísimo”. ¡Y cómo no, si uno acaba de leer 200 años de historia comprimidos en 200 páginas!

      Y por supuesto que desde luego claro está que obviamente Sabi** lo sabe, no tiene un pelo de gallina tonta. PERO… da la casualidad que la frase “la ciencia actual está estancada” vende más que “la ciencia actual avanza como de costumbre”.

      Lost in Blah: mucho ruido y nada, pero NADA, de nueces.

      1. Pues yo estoy con Sabine, mi impresion es que la ciencia actual, en fisica fundamental, no avanza como siempre, es obvio que hemos entrado desde hace tiempo en una fase de “rendimientos decrecientes”, Sabine ha aportado datos bastante significativos al respecto:

        “Now let us assume for the sake of simplicity that physicists today work as many hours per week as they did 100 years ago – the details don’t matter all that much given that the growth is exponential. Then we can ask: How much working time starting today corresponds to, say, 40 years working time starting 100 years ago. Have a guess! 

        Answer: About 14 months. Going by working hours only, physicists today should be able to do in 14 months what a century earlier took 40 years.”

        Pues eso, hoy dia en 14 meses la comunidad de cientificos hace el mismo numero de horas productivas que tardarian 40 años en hacer sus colegas de 1900. Se puede decir por tanto que el crecimiento en el numero de cientificos ha sido exponencial desde 1900, sin embargo si nos fijamos en el numero de nuevas teorias funfamentales descubiertas y confirmadas en los ultimos 50 años, el resultado es decepcionante. Si acaso , por decir algo, el modelo estandar, y para de contar. El modelo cosmologico de consenso no se puede considerar como una teoria fundamental, pues aparte de ser en lo fundamental una ciencia historica, con todos los riesgos que ello conlleva, tiene mas agujeros que un queso de grouyere, y no es descartable que colapse en un futuro proximo bajo el peso de sus propias inconsistencias. Por el contrario, en los primeros 50 años del siglo pasado se descubrieron al menos la relatividad, restringida y general, y la mecanica cuantica, tanto no relativista como relativista. O sea, cuatro grandes pilares de la fisica moderna frente a uno solo, y ello con muchos menos recursos que los dedicados hoy dia.

        A la luz de lo anterior, y mas alla de si los datos de Sabine son mas o menos exactos, es licito plantearse si debemos seguir invirtiendo de forma indiscriminada en cualquier idea que se les ocurra a los cientificos, o si por el contrario debemos empezar a discriminar los proyectos que son mas prometedores de aquellos que tienen un fuerte componente de “hype”.Y esto es lo que plantea Sabine, una simple realidad de la que no nos podemos abstraer: los recursos son limitados, y en fase de rendimientos decrecientes, debemos necesariamente elegir los proyectos mas prometedores y sacrificar los menos convincentes.

        1. Jesús:

          Estás de acuerdo con esa señora porque no tienes idea de ciencia. Lo que dices sobre que incrementar el número de científicos debería incrementar el “número de teorías fundamentales” es tan cómico, patético y ridículo que podríamos hacer obras de teatro con ello.

          Como los biólogos y médicos de 1700 descubrieron los microbios y curaron inmediatamente cientos de enfermedades y ahora que el número de médicos ha crecido “exponencialmente” y seguimos sin poder curar el VIH entonces la medicina está en “decadencia”, “secuestrada” y reinada por el hype.

          Y sobre todo: debemos escribir el libro “Lost in biochemistry”.

          ¿Hace cuanto que no hay un clásico de la literatura española? Nótese el aumento exponencial de escritores de nuestra lengua.Debe ser porque el español está “secuestro por el hype”. Escribamos “Lost in modern spanish”.

          Y lo que dices sobre abdicar del criterio elegido por los científicos de élite (que por algo son quienes son) para dar dinero a las “alternativas con menos hype” es tan triste que reírse sería como reírse de alguien con problemas, así que mejor no.

        2. El record del mundo de 100 metros lisos era de 10.6 segundos en 1912, consiguiéndose rebajarlo a 9.90 segundos en 1968. Una rebaja de 0.7 segundos en 56 años.
          El récord actual transcurridos 51 años desde 1968, es 9.58 segundos lo que es una rebaja de tan solo 0.32 respecto del récord anterior, (ni la mitad de 0.7 segundos)
          Y eso que en los últimos años hay muchísimos más atletas de muchísimos más países en comparación con la primera mitad del siglo pasado. Y sponsors millonarios, entrenamiento científico, alimentación especializada, medicina deportiva,…
          El atletismo está en crisis. Voy a escribir un libro explicando mi genial descubrimiento, que se titulará “Lost in athletics”
          Saludos.

    2. Hay una enseñanza sobre física (que de hecho sirve para cualquier ciencia, disciplina y la vida en general) que leí por primera vez en la introducción del libro de Srednicki de teoría cuántica de campos y que estoy seguro codifica lo que significa “ser un físico”.

      Srednicki dice que, su maestro (un tal Leonard Susskind), le enseñó a tomar la actitud pragmática que caracteriza su libro porque el entendimiento, la belleza y la dificultad de la física está en los detalles. Físico es aquel que aprecia y que hace los detalles, aquel que puede pasar una vida lidiando con ellos y el que hace un esfuerzo (sin importar cual humilde o su posición en Harvard sea) por dejar de hablar y entender un cálculo en particular (sea un péndulo simple o teoría de campos de cuerdas).

      Esto pasa aún en el caso de los más grandes (Feynman, Witten, Maldacena etc.), ellos no están/estuvieron/estarán en su su oficina planeando la siguiente “revolución”, trabajan con detalles y no tendrían reparo en darle su vida a alguno en particular.

      De manera que las personas a las que les molestaría y aburriría pasar cien años estudiando el modelo estándar “sin extensiones” y que promueven “el secuestro”, ” perdición” y “estancamiento” de la física fundamental, que tildan cada avance que no es una nueva “revolución” (sin aclarar lo que entienden por esta palabra) como “no – fundamental”, no son físicos y que no aportan soluciones, sólo crítica (como bien dice planck): “Quieren reality show”, eso sí, pero no les importa la física (= los detalles).

    3. Jeje, la innombrable Sabi**, esa señora de la que usted me habla. Yo casi estoy de acuerdo con ella, que los aceleradores los construyan los chinos, que para ellos sí es un gran reto, y que los físicos europeos se dediquen a labores más creativas. Hay otros experimentos que se podrían financiar y no siempre más de lo mismo es el mejor camino.

  5. Ramiro,

    Es correcto lo que indicas de que no existe una correlación lineal y exacta entre el numero de horas productivas invertidas en ciencia fundamental y el número de teorias fundamentales descubiertas y validadas, por supuesto que el tema es mucho más complejo que todo eso, de hecho la propia Sabine ya advierte de esta circunstancia.

    No obstante, también es cierto que el sentido común nos dice que, en general, a mayor esfuerzo invertido, mayor número de resultados obtenidos, y esto en cualquier ámbito de la actividad humana. Otra cosa es cómo valoramos esos resultados, y en ciencia fundamental parece razonable para ello valorar variables tales como el número de memorias cientificas publicadas, el número de problemas fundamentales descubiertos y aún no resueltos por la comunidad científica, o también el número de teorías científicas fundamentales descubiertas y validadase experimentalmente. Y éstas últimas, nos guste o no, es la verdadera medida del éxito de nuestra actividad en ciencia fundamental, al menos para el observador más circunstancial de la ciencia. Podemos tener muchas memorias científicas publicadas, podemos tener muchos problemas interesantes identificados, pero si toda esta actividad no cristaliza a la postre en teorías fundamentales validadas experimentalmente que amplíen de forma segura nuestro conocimiento del mundo físico en el que vivimos, pues entonces podemos asegurar que nuestro éxito ha sido sólo relativo. Y esto es lo que intento expresar en mi comentario, que es altamente chocante la circunstancia de que en los últimos cincuenta años la produccion cientifíca en bruto en física fundamental ha sido abrumadora comparada con hace cien años, y sin embargo su plasmación en teorías fundamentales no ha seguido el mismo ritmo, de nuevo comparado con el mimso periodo.

    Y esto debería dar que pensar, eso es precisamente lo que denuncia Sabine: ella cree que estamos haciendo algo mal en el planteamiento de los problemas abordados, opina que la comunidad científica se ha enfrascado en “problemas matemáticamente mal definidos” por una serie de motivos, lo cual nos ha llevado a la situación actual de escasos resultados en teorías fundamentales descubiertas. Ella cree que ante esta situación lo inteligente es, en lugar de seguir haciendo lo mismo, dudar de lo que estamos haciendo y analizar el asunto desapasionadamente, sin pensar en “vacas sagradas”. Ya sabes, si siempre haces lo mismo, siempre obtienes los mismos resultados. Es otro aserto válido de forma genérica en cualquier actividad humana.

    Otra posibilidad es que los escenarios de rendimientos decrecientes sean algo inevitable, también en la ciencia fundamental, precisamente por la naturaleza de los problemas tratados, cada vez más complejos e inaccesibles a la validación experimental, y aquí ya entramos en posibilidades más intigantes,como las que identifica John Horgan en su “End of Science”.

    Por cierto, comparar la producción científica con la literaria, como haces, no parece muy coherente, pues los resultados de la primera se miden según criterios lógicos y objetivos, mientras que la segunda se mide por criterios estéticos. Nada impide que dentro de cincuenta años la producción literaria de hace veinticinco años sea altamente valorada por la sociedad de entonces, mientras que la producción científica de los últimos cincuenta años, si la medimos por el número de teorías fundamentales descubiertas, seguirá siendo siempre escasa, ya sea que la midamos hoy, dentro de veinte años, o dentro de cien años.

    Y respecto a la ciencia médica, creo que tu valoración es equivocada, durante todo el siglo XX su evolución ha sido espectacular, y mi percepción es que así sigue a día de hoy, por poner algunos datos significativos:

    1881 Teoría dle germen de la enfermedad
    1898 Descubrimiento del cilco de vida del parásito de la Malaria
    1905 Primera cirugía de trasplantes en seres humanos
    1913 Prevención de la difteria por inmunización
    1914 Descubrimiento de la vitamina A
    1915 Transfusiones de sangre
    1921 demostración de la nurotransmisión
    1922 Aislamiento de la insulina
    1926 identificación y caracterización de la anemia perniciosa
    1937 Heparina utilizada como anticoagulante
    1945 Desarrollo de la diálisis para la insuficiencia renal
    1955 Desarrollo de la vacuna contra la polio
    1958 Marcapasos cardíacos
    1961 Válvulas cardíacas artificiales
    1967 Traspantes de corazón en seres humanos
    1977 Erradicación de al viruela
    1982 Desarrollo de tratamientos para la lepra
    1987 Primer fármaco para el tratamiento del VIH (AZT)
    1992 Vacuna para la meningitis (HIB)
    1996 Clonación de al oveja Dolly
    2002 Secuenciación y análisis del genoma del ratón
    2008 Trasplante de un órgano completo cultivado

    Por último, sobre los científicos de élite, pues no voy a poner en duda su extraordinaria valía, pues si así los reconoce la comunidad científica, por algo será. Ahora bien, como se dice en Bolsa, rendimientos pasados no aseguran rendimientos futuros, aparte de que todos tenemos nuestros sesgos cognitivos y deficiencias al nivel personal, por lo que nada impide que esos científicos de élite tengan sus propias agendas ocultas cuando opinan acerca de las direcciones futuras que debería encarar la ciencia fundamental. Los científicos de élite son personas, no son máquinas perfectas e infalibles. Y por eso es importante que su labor y su opinión este fiscalizada, y también, porqué no, dudar de sus criterios cuando hay razones objetivas para ello.

    1. Jesús:

      Es obvio que la medicina está en un estado de productividad increíble y va a seguir mejorando, mi comentario de arriba fue afirmar lo contrario (en forma de sarcasmo) para que se note lo absurdo y enfermo que es negarlo. Yo me puedo poner a decirte que ningún descubrimiento de tu lista es “una teoría fundamental”, que la cuestión de la vida y la cura del cáncer siguen sin tener respuesta, declarar estado de bajo desempeño y escribir “Lost in minor problems of medicine”, pero repito, es falso y nada aporta decir lo contrario.

      Pasa exactamente lo mismo con la física, no es difícil hacer una lista de decenas de descubrimientos que son revolucionarios en los últimos 30 años. Si no lo sabes, entonces no te has molestado en buscar, se concluye que no te importa la física, si no te importa, seguro no la entiendes y entonces no es apropiado que digas las barbaridades que has escrito; decir que el modelo cosmológico de consenso, el descubrimiento de la expansión acelerada del universo o lo inevitable de la inflación “no es fundamental” es repugnante, voy a suponer que estás de broma para no manchar más este espacio.

      No quiero ser rudo contigo ni discutir, sólo te digo que para hacer comentarios de sociología o depresivos hay otros espacios, leer constantes comentarios de que todo es aburrido, nada es importante, todo es hype y decadente en un espacio dedicado al entusiasmo por aprender ciencia es molesto y confunde a las personas que pueden querer ser físicos o apasionados de la naturaleza.

  6. Hola, lo paradójico de la vida es que puedes ir paseando por ella
    y encontrarte con algo verdaderamente fantástico e increíble,
    pero que no te importe y otra persona encontrar lo que te importa
    y no importarle.
    De pequeño cambiaba cromos en el recreo,todos completamos la colección.
    Hoy No,donde piensan que están.

    No me gusta la caza,pero un amigo cazador me dijo que para cazar un Ruiseñor es mejor
    cien perdigones y para un Elefante solo uno (pero no falles).

    Prefiero cien veces que el Ruiseñor me cante mientras el Elefante me abre camino por la jungla.

    Un saludo y gracias.

Deja un comentario

Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 22 marzo, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science
Etiqueta(s): ,