En un colisionador de partículas en el CERN, un evento rara vez visto nos está acercando tentadoramente al umbral de la nueva física.

Después de años de gestionar lo que se conoce como Experimento NA62La física de partículas Cristina Lazzeroni de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido y sus colegas establecieron, observaron experimentalmente y midieron la desintegración de una partícula de kaón cargada en un pión cargado y un par neutrino-antineutrino. Los investigadores presentaron sus hallazgos en un Seminario del CERN.

Es algo emocionante. La razón por la que el equipo ha estado persiguiendo incansablemente este tipo tan específico de canal de desintegración durante más de una década es porque se le conoce como canal «dorado», lo que significa que no sólo es increíblemente raro, sino que también es bien predicho por el complejo matemáticas. constituyendo el Modelo Estándar de la física.

Esta rareza y precisión lo convierten en un medidor altamente sensible para detectar nueva física. Sin embargo, sólo recopilando una increíble cantidad de datos que abarcan innumerables colisiones de partículas, el equipo pudo confirmar la exactitud de su descubrimiento, según el famoso 'cinco sigma'estándar de certeza estadística.

«Este difícil análisis es el resultado de un excelente trabajo en equipo y estoy muy orgulloso de este nuevo resultado». Lazzeroni dice.

Los kaones consisten en una combinación de un quark y una antipartícula de quark diferente vinculada a la fuerza fuerte, que se desintegran rápidamente de una manera bastante singular que los físicos describen como «extraño'. Esta extraña característica los convirtió en una herramienta útil para determinar las reglas sobre cómo deberían comportarse las partículas en general.

Producir kaones no es particularmente difícil si cuentas con el equipo adecuado. Utilizando el Super Sincrotrón de Protones del CERN, los investigadores disparan un haz de protones de alta energía contra un objetivo de berilio estacionario. Esto produce un haz secundario de aproximadamente mil millones de partículas por segundo, de las cuales aproximadamente el 6% son una especie de kaón cargado.

Los kaones no tienen una vida útil prolongada; se forman y desintegran en una cienmillonésima de segundo. Luego, en este haz secundario, la desintegración del kaón ocurre constantemente, generalmente convirtiéndose en un primo superpesado del electrón llamado muón, y un neutrino.

Sin embargo, en aproximadamente 13 de cada 100 mil millones de desintegraciones de kaones, el resultado es un antineutrino, un neutrino y una partícula inestable hecha de otro tipo de quark y un antiquark llamado pión.

«Los kaones y piones son partículas que contienen quarks. El hecho de que los quarks sean de diferentes tipos (arriba, abajo, extraño, encantador, hermoso, superior) se llama sabor», dijo Lazzerino a ScienceAlert.

“La rareza de esta desintegración tiene que ver con que hay un cambio en el sabor del quark que está mediado por Z bosón y produce un pion y neutrinos. Esto sólo puede ocurrir con un proceso muy elaborado, de ahí su rareza».

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El volumen de desintegraciones de kaon necesario para observar este proceso es astronómico, pero ese no es el final de los desafíos involucrados. Los neutrinos son notoriamente difíciles de detectar y se aniquilarán con su compañero antineutrino casi instantáneamente; Para el experimento NA62, los investigadores no intentan detectar el par de neutrinos y antineutrinos.

Es sólo el pión cargado, o 'pi+', la aguja, en medio del enorme pajar de otras desintegraciones de kaón (K+) cargado.

«Todas las demás desintegraciones de K+ que queremos descartar se denominan de fondo y tienen partículas detectables. El desafío es detectar todo de ellos y siempre, para que cuando veamos K+ a pi+ y nada más, estemos seguros de que no nos hemos perdido nada y es realmente la señal», explicó Lazzerino.

Por eso, cuando el equipo anunció su primer conjunto de resultados en 2019, no estaban en el nivel cinco sigma de certeza estadística de haber realizado su detección. Ahora han llegado a ese límite.

Ahora que se ha establecido el canal de desintegración, los investigadores pueden proceder a buscar cualquier desviación que pueda indicar nueva física. El número de desintegraciones de kaón a pión y neutrino/antineutrino que observó el equipo es mayor que el 8,4 por 100 mil millones previsto por el modelo estándarpero todavía está dentro de los parámetros de incertidumbre.

Para encontrar nueva física, será necesario observar una desviación mayor en el número de desintegraciones.

«EL Modelo estándar ha sido muy bueno prediciendo observaciones hasta ahora, pero sabemos que debe tener deficiencias. Como si no incluyera una plantilla para materia oscuray el sujeto- antimateria el desequilibrio es muy pequeño en relación a lo necesario para representar el Universo. Generalmente esperamos que aparezca nueva física. Se desconoce qué es exactamente. Pero en general, esperamos que estén presentes nuevas partículas (y fuerzas)”, dijo Lazzeroni.

“NA62 ya ha acumulado más datos y continuará por otros tres años. Con todos los datos podremos establecer con cierta precisión si es consistente con el Modelo Estándar”.

Qué maravillosamente conmovedor.

El equipo presentó sus resultados en un seminario del CERN.