Investigadors de l’Institut de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), mesuren per primera vegada la massa del quark bottom a partir de les seues interaccions amb el bosó d’Higgs i confirmen, com prediu la teoria, que no és una quantitat invariable
El Model Estàndard de la física de partícules, la teoria que millor descriu la matèria visible de l’Univers, prediu que moltes de les propietats de les partícules tenen valors diferents segons l’energia a la qual s’observen. Això ocorre també amb la massa de les partícules elementals, i ho acaba de confirmar un grup multidisciplinari d’investigadors teòrics i experimentals de l’Institut de Física Corpuscular (IFIC), centre mixt del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat de València (UV), gràcies a l’accelerador de partícules més potent del món, el Gran Colisionador d’Hadrons del CERN (LHC). Allí han observat com un bosó d’Higgs es desintegra en quarks bottom, un dels constituents fonamentals de la matèria.
Combinant aquestes observacions amb altres obtingudes en LEP, l’anterior accelerador del CERN, els investigadors de l’IFIC, en col·laboració amb investigadors de les Universitats de Viena (Àustria) i Tohoku (el Japó), i l’Institut Paul Scherrer (Suïssa), han mesurat la massa del quark bottom amb una precisió del 14%, confirmant, a més, que el quark bottom és més lleuger a energies més altes. El valor obtingut és compatible amb les prediccions del Model Estàndard, i descarta la hipòtesi que la massa no canvie amb l’energia amb una certitud de quasi 7 desviacions estàndard (el que es considera un resultat consolidat en física de partícules). Aquest treball el va presentar Marcel Vós, investigador del CSIC a l’IFIC, en la prestigiosa conferència Rencontres de Moriond (França), i s’acaba de publicar en la revista Physical Review Letters.
“Demostrar que les masses de les partícules elementals canvien en funció de l’energia de l’experiment és, en primer lloc, una prova clara del seu comportament quàntic. Mesurar a més aqueix canvi amb gran precisió permet, d’una banda, sotmetre a un test d’estrés la validesa de les prediccions del Model Estàndard i, per un altre, intuir la possible existència de noves partícules o forces en cas que les dades es desvien de l’evolució esperada”, assenyala Germán Rodrigo, investigador del CSIC a l’IFIC.
En Física, la massa i el pes d’un objecte representen dues propietats diferents. La massa és una mesura de la quantitat de matèria que conté l’objecte, mentre que el pes és una mesura de la força gravitatòria a la qual està sotmés. Segons les lleis de Newton, aqueixa força gravitatòria (o pes) és proporcional a la massa, per la qual cosa tots dos conceptes solen utilitzar-se indistintament, encara que es tracta de coses diferents.
Un objecte a nivell de la mar és una mica més pesat que en el cim de l’Everest on està més allunyat del centre de la Terra. En la superfície de la Lluna, on la intensitat de la força gravitatòria és sis vegades menor que en la Terra, el seu pes és, en conseqüència, sis vegades menor. La seua massa, en canvi, és una quantitat invariable, característica de l’objecte i independent del lloc en el qual es trobe.
En el món microscòpic ocorre una cosa similar. Encara que la força de la gravetat no sol ser rellevant entre les partícules elementals, aquestes es troben sotmeses a altres forces fonamentals com la força forta, la feble i l’electromagnètica. La intensitat d’aquestes forces no sempre és la mateixa, depén en gran manera de l’energia a la qual les partícules elementals s’acceleren i col·lideixen entre si.
Fluctuacions quàntiques del buit
Degut a les lleis quàntiques que governen el microcosmos, les masses de les partícules elementals deixen també de ser una quantitat intrínseca immutable. Aqueixa variabilitat, no obstant això, no és arbitrària. Encara que el Model Estàndard no pot predir el valor de les masses de les partícules elementals ni la intensitat de les forces fonamentals, sí que prediu amb gran precisió com canvien en funció de l’energia. És a dir, mesurant les masses i intensitats de les forces en un experiment a una energia de referència, podem predir quins seran els seus valors en un altre experiment on les partícules interaccionen a una energia diferent.
Aqueixa variabilitat ve determinada per les ‘fluctuacions quàntiques del buit’, energia continguda en el ‘estat sense partícules’ que és el buit i que es manifesta com a pseudopartícules que poden afectar la intensitat de les forces. Aquestes fluctuacions quàntiques es coneixen com a ‘partícules virtuals’, ja que no són partícules vertaderes però tenen un efecte similar. Segons el Model Estàndard, les fluctuacions del buit afecten la massa dels quarks fent-los més lleugers a energies més altes. Altres partícules com el bosó d’Higgs es tornen més massives conforme augmenta l’energia.
L’anàlisi duta a terme pels investigadors de l’IFIC també inclou un estudi prospectiu sobre les millores que podrien derivar-se de les noves dades que el LHC obtindrà en els pròxims anys, així com de futurs colisionadors que puguen actuar com a ‘fàbriques d’Higgs’ en els quals es generen grans quantitats d’aquestes partícules, la qual cosa permetria estudiar en molt més detalle les masses dels quarks a altes energies.
Referència:
- Aparisi, J. Fuster, A. Hoang, A. Irles, C. Lepenik, G. Rodrigo, M. Spira, S. Tairafune, M. Vos, H. Yamamoto and R. Yonamine, mb at mH: the running bottom quark mass and the Higgs boson, Phys. Rev. Lett. 128, 122001. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.122001
Més informació:
Recreació de l’interior del túnel del LHC, on es van produir les col·lisions que han donat lloc a aquests resultats. Crèdits: CERN.
Material de descàrrega
Imatge (jpeg)
Nota de premsa (pdf)