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Nuevos conocimientos sobre partículas subatómicas – «Podría cambiar nuestra forma de entender la formación del Universo»
Un equipo internacional de físicos ha publicado una investigación innovadora sobre la descomposición de las partículas subatómicas llamadas kaones (mesones K) – que podría cambiar la forma en la que los científicos a entienden la formación del universo. Nicolas Garron, investigador en el Centre of Mathematical Sciences, ha ayudado a diseñar el primer cálculo teórico de cómo el comportamiento de los kaones difiere cuando la materia – cualquier cosa con masa, como el mundo que nos rodea – se intercambia por antimateria – hecha de partículas similares con carga opuesta.
El cálculo del decaimiento de los kaones se llevó a cabo en supercomputadoras, cuyos cálculos habrían tardado 200 M de horas de procesamiento en un ordenador portátil. La velocidad a la que decaen los kaones destaca que a pesar de ser prácticamente idénticos, existe una asimetría entre materia y antimateria. Esto es clave para la comprensión de los físicos del universo, ya que está actualmente aceptado que el universo fue «creado» con partes iguales de materia y antimateria, y, actualmente la materia ha sobrepasado a su contraparte negativa, los dos conjuntos de partículas deben de haberse comportado de manera diferente – por leve que fuera la diferencia.
El trabajo de un Premio Nobel, que se remonta a 1964 mostró por primera vez que la materia y la antimateria son asimétricas, un concepto conocido como violación indirecta CP. En el 2000, se pudo descubrir violación CP directa – un pequeño efecto, que sólo afecta a unas pocas partículas de entre un millón. Ahora,según la investigación publicada, se ha reducido el cálculo aún más, por lo que es la primera predicción teórica de su tipo – en lugar de experimental.
En la actualidad, los resultados experimentales son consistentes con el cálculo teórico. Pero, con el camino ahora listo para para establecer aún más claramente la exactitud del cálculo, se espera que los resultados experimentales pueden no ajustarse a la predicción teórica – lo que significaría que un nuevo mecanismo debe ser responsable de la preponderancia de la materia.
«Los físicos han estado esperando durante más de 40 años este tipo de avance«, dijo Garron. «Suena extraño, pero estamos buscando que el cálculo teórico no coincida con los resultados experimentales, ya que esto significa que hay más en la conducta de estas partículas y nunca lo hemos entendido. El cálculo está en curso con una precisión que está aumentando rápidamente, dejando la posibilidad de que la evidencia de fenómenos nuevos, no descritos por nuestra teoría, sin embargo, puedan ser descubiertos«.
El superordenador en el que se llevó a cabo la investigación se encuentra en diversas instituciones en el Reino Unido y en EE.UU.. El mes pasado, la Universidad de Plymouth acordó una importante actualización de las instalaciones de computación, la mejora de la actual potencia de cálculo por aproximadamente un factor de diez.
«También somos parte de un consorcio de grupos de investigación y compartimos nuestros recursos con Cambridge, Edimburgo, Glasgow, Liverpool, Oxford, Southampton, y las universidades de Swansea. Este es un programa nacional llamado Dirac, que apoya la física de partículas, la astronomía y la cosmología, y ha recibido 15 millones de £ desde 2011. Esta investigación sobre la asimetría materia-antimateria, que desafía seriamente nuestra comprensión actual de la física de partículas, no habría sido posible sin instalaciones de supercomputación«.
Dr. Nicolás Garron es investigador en el Centre of Mathematical Sciences, en la School of Computing, Electronics and Mathematics at Plymouth University.
El trabajo de investigación, titulado Standard Model Prediction for Direct CP Violation in K Decay, ya está disponible para ver en la revista Physical Review Letters.
El descubrimiento del bosón de Higgs, punto de partida para un nuevo modelo del universo
«Sabemos que el Modelo Estándar de la física, que tenemos ahora no explica algunos rompecabezas de la naturaleza «, dijo Ketino «Keti» Kaadze, un investigador asociado en el Fermilab. «Sabemos que tiene que haber otros modelos que pueden explicar fenómenos como la materia oscura y la energía oscura, y por qué podemos tener diferentes generaciones de la misma partícula que son idénticos a excepción de su masa. Encontrar la partícula de Higgs no era el final de la historia. fue el punto de partida de un nuevo horizonte «.
Un estudio publicado recientemente en la revista Nature Physics reports scientists, muestra que han encontrado evidencia de que el bosón de Higgs – una partícula fundamental propuesto en 1964 y descubierto en 2012 – la partícula más buscada por mucho tiempo, es responsable de dar masa a partículas elementales.
«En la naturaleza, hay dos tipos de partículas: fermiones y bosones«, dijo Kaadze, que trabaja en el departamento de física de la Universidad Estatal de Kansas. «Los fermiones, los quarks y los leptones forman toda la materia que nos rodea. Los bosones son responsables de mediar la interacción entre las partículas elementales.»
Sobre la base de los datos recogidos en 2011 y 2012, parte de los cuales se utilizaron para identificar la existencia del bosón de Higgs, los investigadores ven evidencia de que el bosón de Higgs se desintegra en fermiones. Esto también se predijo en 1964, pero no se observó hasta después de que el bosón de Higgs fuerA identificado en 2012, dijo Kaadze.
La observación es clave en el fortalecimiento de lo que se teorizó sobre el bosón de Higgs y es un escalón hacia la construcción de un conocimiento más extenso acerca de cómo funciona el universo, dijo Kaadze.
«Creemos que el bosón de Higgs es responsable de la generación de la masa de las partículas fundamentales«, dijo Kaadze. «Por ejemplo, los electrones adquieren su masa al interactuar con el bosón de Higgs. Cuando los electrones no tienen masa, forman órbitas estables alrededor de los núcleos, lo que permite la formación de materia eléctricamente neutra desde que se formó la tierra y todos nosotros. Incluso un leve cambio de las masas de las partículas fundamentales que nos rodean cambiaría el universo muy drásticamente, y el bosón de Higgs es la pieza central que une todos los elementos. «
Kaadze, junto con otros científicos, fue parte de un equipo que buscó el bosón de Higgs decayendo en un par de leptones tau – fermiones que son equivalentes muy pesados de los electrones. Un segundo equipo también se interesó por el bosón de Higgs en «descomposición en un par de fermiones pesados», llamados quarks belleza. Estas dos muestras de decaimiento ofrecen el mayor potencial del descubrimiento.
Kaadze es uno de los investigadores en el departamento de física de la Universidad Estatal de Kansas fuertemente implicados en la investigación en la Organización Europea para la Investigación Nuclear, CERN. Su investigación se lleva a cabo con el Compact Muon Solenoid, uno de los dos detectores de partículas del Large Hadron Collider‘s que ayudan a los científicos en el CERN a buscar evidencia dle bosón de Higgs.
Otros miembros de la facultad de física de la Universidad Estatal de Kansas que participan en la investigación del CERN Tim, son: incluyen Bolton, Andrew Ivanov y Yurii Maravin.
El bosón de Higgs es el último componente clave necesario para confirmar el modelo estándar de la física de partículas: una teoría de baja energía que explica el funcionamiento del universo en las escalas de longitud más pequeña.
Actualmente se está trabajando a casi el doble de la energía del centro de masa en el CERN. Si se hace, aumentará la capacidad de crear los bosones de Higgs. A su vez, los científicos pueden basarse en los datos en un esfuerzo por explicar los misterios del universo.
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El zoo de las partículas elementales
En la física de partículas, el término zoológico de partículas es usado coloquialmente para describir una relativamente larga lista de las partículas elementales conocidas que se asemejan a cientos de especies en un jardín zoológico.
La situación era particularmente confusa en los últimos años de la década de 1960, antes del descubrimiento de los quarks, cuando cientos de partículas de interacción fuerte (hadrones) eran conocidas. Se aceptó más tarde que no eran elementales sino que eran compuestos de los quarks.
El modelo estándar explica las partículas del zoológico como partículas compuestas a partir de un número razonablemente reducido de partículas elementales. Por su parte, la altamente especulativa [teoría de cuerdas]], sugiere que todas las partículas del zoológico tienen un ancestro común, una «cuerda vibrante» (es decir, una perturbación del espacio-tiempo «ampliado» de dicha teoría).
Fuente: Wikipedia
Superordenador IBM para probar la relación materia-antimateria
Las rupturas son a menudo desordenada, y en la división de las partículas subatómicas, las partículas hijas no son una excepción. Ahora la capacidad de simular un famoso decaimiento de partícula podría ayudar a responder a una de las cuestiones más candentes en la física: por qué el universo parece contener más materia que antimateria.
De acuerdo a nuestra imagen actual, el Big Bang produjo partículas y antipartículas en cantidades iguales, la mayoría de las cuales se aniquilaron mutuamente para liberar energía. En algún momento, algún factor desconocido ha llevado a la existencia de más partículas que antipartículas.
Una pista de lo que esto podría ser surgió en 1964, cuando James Cronin y Val Fitch, en la Universidad de Chicago, observaron partículas subatómicas llamadas kaones, decaer en dos piones, otro tipo de partículas.
Creemos que la antimateria es como una copia exacta de la materia, pero a la inversa, con ciertas propiedades – por ejemplo, la antipartícula de una partícula cargada tiene la carga opuesta. Sin embargo, en la descomposición de Fitch y Cronin observaron que la antimateria deben diferir en algún otro modo fundamental. Ese es el tipo de asimetría necesaria para explicar el puzzle más grande de materia-antimateria, y en 1980, la pareja ganó el premio Nobel de Física.
La comprensión de las interacciones que participan en este decaimiento del kaón ha demostrado ser difícil, sin embargo. Un mecanismo teórico de la decadencia existe, pero nadie podía saber si sus predicciones estaban a la altura de las observaciones experimentales.
Ahora un equipo de investigadores del Reino Unido, EE.UU. y Alemania han utilizado el superordenador IBM BlueGene / P del Laboratorio Nacional Argonne en Illinois, además de otras supercomputadoras, para simular un kaon decaer en dos piones, por primera vez.
El equipo utilizauna técnica llamada celosía QCD para simular una región del espacio a través de cinco femtometros, en la que cientos de interacciones entre quarks y gluones que llevan la fuerza, se llevará a cabo. «El resultado es una especie de enjambre de todos los diferentes tipos de partículas, antipartículas y gluones», dice el miembro del equipo de Norman Christ de la Universidad de Columbia en Nueva York.
El equipo comenzó mediante la simulación de un kaon compuesto por un quark down y un antiquark extraño, y luego cambió a éste en un quark abajo. El modelo estándar de física de partículas, dice que este cambio se debe generar dos pares quark-antiquark necesarias para hacer dos piones. A continuación, el equipo hace la simulación de los piones, que permita calcular la probabilidad de que efectivamente se produjo por el Kaon. Después de 281 días de tiempo en la computadora, el resultado fue un valor para la probabilidad de que el kaon decaería en dos piones, que coincide con las mediciones experimentales (arxiv.org/abs/1111.1699).
«Este es un cálculo que no podíamos siquiera hemos tocado sin este superordenador», dice Christ. Sin embargo, el trabajo, que será publicado en Physical Review Letters, no explica del todo la asimetría materia-antimateria a apuntalar la decadencia kaon. Eso requerirá una simulación más complicada en una supercomputadora más potente. Si eso está de acuerdo con el experimento también puede significar que el modelo estándar, que abarca todas las partículas y fuerzas conocidas, pero es casi seguro que incompleto, es suficiente para explicar el enigma de materia-antimateria.
Aaron Roodman del SLAC National Accelerator Laboratory, en Palo Alto, California, quien no estuvo involucrado en el trabajo, dice que cualquier desajuste todavía puede revelar la necesidad de una nueva física. «Si no están de acuerdo, entonces puede ser que tengamos algo nuevo».
Fuente: NewScientist
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