El experimento LHCb observa un nuevo tipo de asimetría materia-antimateria

La colaboración científica que opera el experimento LHCb del CERN ha observado por primera vez la diferencia entre materia y antimateria conocida como ‘violación CP’ en la partícula conocida como mesón D0. El hallazgo, presentado el 21 de marzo en la conferencia anual de Moriond entrará a formar parte de los libros de texto de la física de partículas.

“El resultado es un hito en la historia de la física de partículas. Desde el descubrimiento del mesón D hace más de 40 años se sospechaba que la violación CP también ocurría en este sistema, pero solo ahora, usando el conjunto de datos recopilados por el experimento, la colaboración LHCb ha sido capaz de observar este efecto”, dijo el director de Investigación y Computación del CERN, Eckhard Elsen.

El término CP hace referencia a la transformación que cambia una partícula con la imagen especular de su antipartícula. La interacción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza descritas en el Modelo Estándar de física de partículas, produce una diferencia en el comportamiento de algunas partículas y de sus equivalentes de antimateria, diferencia que se conoce como ‘violación CP’. El efecto fue observado por primera vez en los años 60 en el laboratorio de Brookhaven (EE.UU.) en partículas conocidas como mesones K, que contienen un quark strange (‘extraño’). En 2001, los laboratorios SLAC (EE.UU.) y KEK (Japón) observaron también el fenómeno en mesones B neutros, que contienen un quark bottom (‘fondo’). Estos hallazgos valieron dos premios Nobel en Física en 1980 y 2008, respectivamente.

La violación CP es una característica esencial en nuestro Universo, necesaria para provocar el proceso que, tras el Big Bang, estableció la abundancia de materia sobre antimateria que observamos hoy día. El tipo de violación CP observada hasta ahora en las interacciones del Modelo Estándar, sin embargo, es demasiado pequeña para dar cuenta del desequilibrio actual entre materia y antimateria, lo que sugiere la existencia de fuentes de violación CP aún por descubrir.

El mesón D0 está hecho de un quark charm (‘encanto’) y un antiquark up (‘arriba’). Hasta el momento, la violación CP había sido observada solo en partículas que contienen quarks strange o bottom. Los hallazgos llevados a cabo por el experimento LHCb han confirmado el patrón descrito en el Modelo Estándar por la llamada ‘matriz de mezcla de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)’, que describe cómo los diferentes tipos de quarks, los ‘ladrillos’ que componen la materia visible, se transforman unos en otros mediante la interacción débil. El origen profundo de la matriz CKM, y la búsqueda de fuentes adicionales y nuevas manifestaciones de la violación CP, están entre las grandes cuestiones de la física de partículas. El descubrimiento de la violación CP en mesones D0 es la primera evidencia de esta asimetría en el quark charm, añadiendo nuevos elementos a la exploración de estas cuestiones.

Para observar esta asimetría CP, los investigadores del experimento LHCb usaron el conjunto completo de datos proporcionado por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) al detector entre 2011 y 2018 para analizar las desintegraciones del mesón D0 y su antipartícula en kaones o piones. “Buscar estos dos productos de las desintegraciones en nuestra muestra sin precedentes de partículas D0 nos permitió la sensibilidad requerida para medir la minúscula cantidad de violación CP esperada para este tipo de fenómenos. La magnitud del efecto se obtiene por la diferencia entre las desintegraciones de partículas D0 y anti-D0”, explica el portavoz de la colaboración LHCb, Giovanni Passaleva.

El resultado tiene una significancia estadística de 5,3 desviaciones estándar, lo que supera el umbral de 5 desviaciones estándar que se usa en física de partículas para proclamar un descubrimiento. Esta medida estimulará nuevos trabajos teóricos para evaluar su impacto en la descripción de la matriz CKM de la violación CP en el Modelo Estándar, y abrirá nuevas vías para buscar posibles nuevas fuentes de violación CP usando partículas ‘encantadas’ (con quarks charm).

Grupos españoles de La Salle-Universidad Ramon Llull, de la Universidad de Barcelona, la Universidad de Santiago de Compostela y del IFIC-Universidad de Valencia forman parte de la colaboración internacional que ha diseñado y construido el experimento LHCb, y que analiza los resultados que recoge. Alguna de las contribuciones del grupo de investigación DS4DS de La Salle-URL, que participa en LHCb desde el año 2000, han sido el diseño de parte de la electrónica del subdetector llamado Calorímetro, su instalación y mantenimiento, la reconstrucción e identificación de partículas neutras, el etiquetado de sabor del mesón B y el análisis de desintegraciones radiativas (en las que se emite un fotón) de mesones B.

Data Science for Digital Society [DS4DS] es un grupo de investigación enfocado en desarrollar y aplicar técnicas de Data Science y estudiar su impacto en la Digital Society. El grupo busca una visión transversal de los problemas relacionados con el uso de datos que utilizan inteligencia artificial, aprendizaje automático y estadísticas y busca sus posibles efectos y activos en la sociedad desde el punto de vista de las ciencias sociales, en particular, en temas como la vida inteligente, negocios inteligentes y universidad inteligente.