Nuevo cálculo refina la comparación de materia con antimateria

Un nuevo cálculo realizado permite a los científicos predecir con mayor precisión la probabilidad de dos vías de desintegración de kaones y comparar esas predicciones con mediciones experimentales. La comparación prueba las pequeñas diferencias entre la materia y la antimateria que podrían, con aún más potencia de cálculo y otros refinamientos, apuntar a fenómenos físicos no explicados por el Modelo Estándar


Una colaboración internacional de físicos teóricos, incluidos científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) del Departamento de Energía de los EE. UU., han publicado un nuevo calculo relevante a la búsqueda de una explicación del predominio de la materia sobre la antimateria en nuestro universo. La colaboración, conocida como RBC-UKQCD, también incluye científicos del CERN, la Universidad de Columbia, la Universidad de Connecticut, la Universidad de Edimburgo, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, la Universidad de Regensburg y la Universidad de Southampton. Describen su resultado en un artículo que se publicará en la revista Physical Review D y ha sido destacado como una "sugerencia del editor".


Los científicos observaron por primera vez una ligera diferencia en el comportamiento de la materia y la antimateria, conocida como una violación de la "simetría CP", mientras estudiaban las desintegraciones de partículas subatómicas llamadas kaones en un experimento ganador del Premio Nobel en el Laboratorio Brookhaven en 1963. Mientras que el Modelo Estándar de la física de partículas se reconstruyó poco después de eso, la búsqueda de si la violación de CP observada en las desintegraciones de kaones están de acuerdo con el Modelo Estándar ha resultado difícil de alcanzar debido a la complejidad de los cálculos requeridos.


El nuevo cálculo proporciona una predicción más precisa de la probabilidad con la que los kaones se desintegran en un par de piones cargados eléctricamente frente a un par de piones neutros. Comprender estas desintegraciones y comparando la predicción con las mediciones experimentales de última generación realizadas en el CERN y el Fermi National Accelerator Laboratory del DOE les brinda a los científicos una forma de probar las pequeñas diferencias entre la materia y la antimateria, y buscar efectos que no se pueden explicar por el modelo estándar.


El nuevo cálculo representa una mejora significativa con respecto al resultado anterior del grupo, publicado en Physical Review Letters en 2015 . Basado en el Modelo Estándar, da un rango de valores para lo que se llama "violación directa de la simetría CP" en las desintegraciones de kaon que es consistente con los resultados medidos experimentalmente. Eso significa que la violación de CP observada es ahora, a nuestro saber y entender, explicada por el Modelo Estándar, pero la incertidumbre en la predicción debe mejorarse aún más, ya que también existe la oportunidad de revelar cualquier fuente de asimetría de materia / antimateria que se encuentre más allá de la descripción de la teoría actual de nuestro mundo.


“Un cálculo teórico aún más preciso del modelo estándar puede encontrarse fuera del rango medido experimentalmente. Por lo tanto, es de gran importancia que continuemos nuestro progreso y refinemos nuestros cálculos, de modo que podamos proporcionar una prueba aún más sólida de nuestra comprensión fundamental ”, dijo Amarjit Soni, teórico de Brookhaven Lab.


Desequilibrio materia / antimateria


“La necesidad de una diferencia entre materia y antimateria está incorporada en la teoría moderna del cosmos”, dijo Norman Christ de la Universidad de Columbia. “Nuestro conocimiento actual es que el universo actual fue creado con cantidades casi iguales de materia y antimateria. Excepto por los pequeños efectos que se están estudiando aquí, la materia y la antimateria deberían ser idénticas en todos los sentidos, más allá de las opciones convencionales, como asignar carga negativa a una partícula y carga positiva a su antipartícula. Alguna diferencia en cómo operan estos dos tipos de partículas debe haber inclinado la balanza para favorecer la materia sobre la antimateria ”, dijo.


“Cualquier diferencia en materia y antimateria que se haya observado hasta la fecha es demasiado débil para explicar el predominio de la materia que se encuentra en nuestro universo actual”, continuó. "Encontrar una discrepancia significativa entre una observación experimental y las predicciones basadas en el Modelo Estándar podría señalar el camino hacia nuevos mecanismos de interacciones de partículas que se encuentran más allá de nuestra comprensión actual, y que esperamos encontrar para ayudar a explicar este desequilibrio".


Modelado de interacciones de quarks


Todos los experimentos que muestran una diferencia entre materia y antimateria involucran partículas hechas de quarks, los bloques de construcción subatómicos que se unen a través de la fuerza fuerte para formar protones, neutrones y núcleos atómicos, y también partículas menos familiares como kaones y piones.


“Cada kaon y pion está hecho de un quark y un antiquark, rodeado por una nube de pares de quark-antiquark virtuales y unidos por portadores de fuerza llamados gluones”, explicó Christopher Kelly, del Laboratorio Nacional de Brookhaven.


Por lo tanto, los cálculos basados ​​en el Modelo Estándar de cómo se comportan estas partículas deben incluir todas las posibles interacciones de los quarks y gluones, como se describe en la teoría moderna de interacciones fuertes, conocida como cromodinámica cuántica (QCD).


Además, estas partículas unidas se mueven a una velocidad cercana a la de la luz. Eso significa que los cálculos también deben incluir los principios de la relatividad y la teoría cuántica, que gobiernan tales interacciones de partículas cercanas a la velocidad de la luz.


"Debido a la gran cantidad de variables involucradas, estos son algunos de los cálculos más complicados de toda la física", señaló Tianle Wang, de la Universidad de Columbia.


Desafío computacional


Para superar el desafío, los teóricos utilizaron un enfoque informático llamado red QCD, que “coloca” las partículas en una red espacio-temporal de cuatro dimensiones (tres dimensiones espaciales más tiempo). Esta red en forma de caja les permite trazar todos los caminos cuánticos posibles para que el kaon inicial decaiga a los dos piones finales. El resultado se vuelve más preciso a medida que aumenta el número de puntos de la red. Wang señaló que la “integral de Feynman” para el cálculo reportado aquí involucraba la integración de 67 millones de variables.


Estos complejos cálculos se realizaron utilizando supercomputadoras de última generación. La primera parte del trabajo, la generación de muestras o instantáneas de los campos de quarks y gluones más probables, se realizó en supercomputadoras ubicadas en los EE. UU., Japón y el Reino Unido. El segundo y más complejo paso de extraer las amplitudes reales de desintegración de kaones se realizó en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE.


Pero usar las computadoras más rápidas no es suficiente; Estos cálculos solo son posibles incluso en estas computadoras cuando se utilizan códigos de computadora altamente optimizados, desarrollados para el cálculo por los autores.


“La precisión de nuestros resultados no se puede aumentar significativamente simplemente realizando más cálculos”, dijo Kelly. “En cambio, con el fin de reforzar nuestra prueba del Modelo Estándar, ahora debemos superar una serie de desafíos teóricos más fundamentales. Nuestra colaboración ya ha logrado avances significativos en la resolución de estos problemas y, junto con las mejoras en las técnicas computacionales y el poder de las supercomputadoras DOE en el futuro cercano, esperamos lograr resultados muy mejorados en los próximos tres a cinco años ".





Fuente: Brookhaven National Lab

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