El experimento que muestra evidencias "sólidas" de una nueva fuerza en la naturaleza

 

El hallazgo se logró en el Fermilab, un laboratorio de aceleración de partículas del Departamento de Energía de Estados Unidos, ubicado en la ciudad de Batavia, Illinois.

Las fuerzas de la física están en juego en cada momento de nuestras vidas, incluso en cosas tan sencillas como pegar un imán en la nevera o lanzar una pelota de baloncesto.

Todas las fuerzas que experimentamos a diario se pueden reducir a solo cuatro categorías: gravedad, electromagnetismo, fuerza fuerte y fuerza débil.

Estas cuatro fuerzas fundamentales determinan la manera en que todos los objetos y partículas del universo interactúan entre sí.

En un nuevo experimento, sin embargo, un grupo de físicos afirma haber encontrado posibles señales de una quinta fuerza fundamental de la naturaleza.

El experimento se llamó Muon g-2, porque analizó el comportamiento de los muones, que son partículas subatómicas que solo existen durante unas breves fracciones de segundo.

Los resultados del experimento "proporciona una fuerte evidencia de la existencia de una partícula subatómica, o una nueva fuerza que aún no ha sido descubierta", según comunicó el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología del Reino Unido (STFC).

El hallazgo se suma una serie de resultados prometedores de experimentos de física de partículas en EE.UU., Japón y, más recientemente, en el Gran Colisionador de Hadrones en la frontera suizo-francesa.

Los resultados del experimento Muon g-2, sin embargo, no son 100% concluyentes. Existe una probabilidad de 1 entre 40.000 de que el resultado haya sido solo una casualidad estadística.

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Sobre nuestro universo rigen cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza fuerte y la fuerza débil.

En términos técnicos, esa probabilidad equivale a un nivel de precisión de 4,1 sigma. Para que los resultados de un experimento de este tipo puedan considerarse realmente un descubrimiento, se requiere una calificación de 5 sigma, es decir, una probabilidad de 1 entre 3,5 millones de que el resultado haya sido una coincidencia.

• El experimento en el Gran Colisionador de Hadrones que puede cambiar las leyes que rigen el Universo

El hallazgo del Fermilab desafía el Modelo Estándar, la teoría ampliamente aceptada que explica cómo se comportan las partículas fundamentales que componen el universo.

"Hemos descubierto que la interacción de los muones no es acorde con el Modelo Estándar", dijo Mark Lancaster, profesor de Física de Partículas en la Universidad de Manchester y uno de los líderes de la investigación.

"Esto es muy emocionante porque posiblemente apunta a un futuro con nuevas leyes de la física, nuevas partículas y una nueva fuerza que no hemos visto hasta la fecha".

Por su parte Ben Allanach, profesor de Física Teórica en la Universidad de Cambridge, quien no estuvo involucrado en la investigación, también se mostró entusiasmado con el anuncio de Fermilab.

"Durante toda mi carrera he estado buscando fuerzas y partículas más allá de lo que ya conocemos. Este es el momento que he estado esperando, no duermo mucho porque estoy demasiado emocionado", dijo Allanach.

"Mi sentido arácnido me dice que esto va a ser real".

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Las partículas subatómicas componen la materia que conocemos.

Los muones

El Fermilab se dedica a buscar señales de nuevos fenómenos físicos mediante el estudio de los muones, partículas subatómicas similares a los electrones, pero 200 veces más pesados.

Y no pueden descomponerse en partículas más pequeñas, por eso se les llaman partículas fundamentales.

El experimento Muon g-2 consistió en lanzar muones dentro de un acelerador en forma de anillo al que se le aplica un campo magnético.

Según las leyes de la física del Modelo Estándar, lo que debería haber ocurrido es que los muones se tambalearan a una cierta velocidad.

Lo que los investigadores observaron, en cambio, fue que los muones se tambalearon a un ritmo más rápido de los esperado.

Su conclusión es que esto podría deberse a una fuerza de la naturaleza completamente nueva para la ciencia.

En sus modelos teóricos, el profesor Allanach ha sugerido varios nombres para esa posible quinta fuerza.

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En el Fermilab se estudia el comportamiento de los muones.

Algunos de ellos son "la fuerza del sabor", la "hiperfuerza de la tercera familia", o la más prosaica de todas: la "B menos L2".

Aún nadie sabe cómo qué hace esta posible fuerza, más allá de influir en los muones.

Los físicos teóricos creen que el fenómeno también podría estar asociado con una partícula subatómica aún no descubierta.

En marzo, un experimento en el Gran Colisionador de Hadrones mostró resultados que podrían apuntar a la existencia de una nueva partícula y una nueva fuerza.

"Hay una carrera en marcha para que alguno de estos experimentos logre la prueba de que esto es algo realmente nuevo", dice Mitesh Patel, experto en física de partículas en el Imperial College London.

"Eso requerirá más datos y más mediciones y, con suerte, mostrará evidencia de que estos efectos son reales ".

¿Una quinta fuerza?

Las dos fuerzas más conocidas son la gravedad y el electromagnetismo.

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El hallazgo puede ayudar a resolver varios misterios de la ciencia.

La gravedad, es lo que hace que los objetos caigan al suelo, y que parezca que los objetos más pesados estuvieran pegados al piso.

El electromagnetismo, como su nombre lo indica, es responsable de la electricidad y el magnetismo.

Las menos conocidas son la fuerza fuerte y la fuerte débil, ambas determinan el comportamiento de las partículas subatómicas.

La fuerza fuerte es la más poderosa de todas, trillones y trillones de veces más fuerte que la gravedad, y es la que mantiene unidas las partículas fundamentales de la materia para que puedan formar otras partículas.

La fuerza débil, por su parte, está relacionada con el decaimiento de una partícula subatómica que se convierte en otro tipo de partícula.

Una quinta fuerza fundamental podría ayudar a explicar algunos de los grandes enigmas del universo que han intrigado a los científicos en las últimas décadas.

Por ejemplo, la observación de que la expansión del universo se estaba acelerando se atribuyó a un fenómeno misterioso conocido como energía oscura. Pero algunos investigadores han sugerido que podría ser evidencia de una quinta fuerza.

"Es bastante alucinante. Tiene el potencial de cambiar la física", dijo la doctora Maggie Aderin-Pocock, copresentadora del programa Sky at Night de la BBC.

"Tenemos una serie de misterios que siguen sin resolverse. Y esto podría darnos las respuestas clave para resolverlos".

Fuente: El experimento que muestra evidencias "sólidas" de una nueva fuerza en la naturaleza - BBC News Mundo

¿Estrechando el cerco en torno a la materia oscura?

Descripción: Detectores de materia oscura
Foto:Fermilab

Los científicos han pasado décadas buscando el evasivo material conocido como materia oscura, que se cree que constituye el 25 por ciento del universo. Un equipo de físicos, incluidos algunos del MIT, ha dado a conocer posibles evidencias de dos partículas de materia oscura en un detector situado en una antigua mina de hierro en Minnesota.

(NC&T) Los físicos llevan mucho tiempo teorizando sobre la existencia de la materia oscura, argumentando que es una especie de pegamento cósmico oculto que ayuda a mantener la cohesión de cada galaxia. Pero detectarla ha resultado ser sumamente difícil porque esas partículas no absorben ni reflejan la luz e interactúan muy débilmente con otras partículas.

Después de largos análisis de datos y de descartar falsos candidatos, los científicos del programa CDMS han anunciado las dos nuevas potenciales detecciones en los datos obtenidos en 2007 y 2008. Sin embargo, advierten que ambos eventos podrían ser las firmas de las partículas de fondo, es decir otras partículas con interacciones que imitan las señales de los candidatos a materia oscura.

"Los resultados de este análisis no pueden ser interpretados como evidencia significativa de interacciones de materia oscura, pero tampoco podemos rechazar esos eventos", explica Lauren Hsu, especialista del Fermilab que interviene en el CDMS.

El investigador Fritz Zwicky del Caltech propuso por primera vez la materia oscura en la década de 1930 como una manera de explicar las discrepancias entre la masa inferida y la luz emitida de un cúmulo de galaxias. Otras observaciones también sugieren la existencia de la materia oscura. La velocidad de giro de las estrellas en los confines de las galaxias permite a los astrónomos calcular la cantidad de masa que debe existir en esas galaxias, según la teoría gravitacional aceptada. Sin embargo, no hay suficiente materia visible en esas galaxias para producir el tirón gravitacional necesario, por lo que los físicos teorizan que la materia oscura aporta la masa faltante.

La única alternativa sería que haya algún error en la teoría de la gravedad, tal como fue formulada por Isaac Newton y refinada luego por la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Algunos físicos han propuesto teorías gravitatorias alternativas para explicar las discrepancias, pero éstas no han sido ampliamente aceptadas. La detección de la materia oscura, si se confirma, podría consolidar la teoría actual.

Fuente: noticias21.com 

Mié, 10/02/2010

Mass of the Common Quark Finally Nailed Down

What a mess! A proton or a neutron is a nearly indecipherable tangle of quarks (purple), antiquarks (green), and gluons (squiggles).

Credit: DESY

It’s not every day that scientists reduce the uncertainty in a fundamental constant of nature from 30% to 1.5%, but a team of theoretical physicists claims to have done just that. Using supercomputers and mind-bogglingly complex simulations, the researchers have calculated the masses of particles called “up quarks” and “down quarks” that make up protons and neutrons with 20 times greater precision than the previous standard. The new numbers could be a boon to theorists trying to decipher particle collisions at atom smashers like Europe’s Large Hadron Collider (LHC) or trying to develop deeper theories of the structure of matter.

“It’s an audacious claim, and it will have to be looked at very carefully, but I think the result is robust,” says Paul Mackenzie, a theorist at Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Illinois, who was not involved in the work.

Scientists have known since 1968 that protons and neutrons contain quarks bound together by the so-called strong force. Nonetheless, experimenters have never been able to measure the quarks’ masses directly, and theorists have not been able to calculate them with great precision. The reason for the impasse is simple: Quarks hold on to one another so tightly that it’s impossible to isolate one and study it by itself. “You can’t just put a quark on a scale and say, ‘This is what its mass is,’ ” says Christine Davies, a theorist at the University of Glasgow in the United Kingdom.

To make matters worse, particles made up of quarks are hideously complex. Nominally, a proton consists of two up quarks and a down quark that hold themselves together by exchanging gluons. (A neutron consists of two down quarks and an up quark.) In reality, the gluons themselves exchange gluons. And myriad quark-antiquark pairs flit in and out of existence. So the proton is actually a roiling infinity of quarks and gluons in which the three original “valence” quarks, which determine the proton’s identity, make up less than 2% of the mass. Quarks also come in four heavier types or “flavors”—strange, charm, bottom, and top—so theorists cannot analyze a particle like the proton in isolation. Instead, they must simultaneously explain the properties of a whole family of related particles, such as the Λ, which consists of an up quark, a down quark, and a strange quark.

Nevertheless, in recent years, physicists have made great progress in calculating the properties of particles made of quarks, which are known collectively as hadrons. A key approach is to simulate the particles using lattice quantum chromodynamics, or lattice QCD. In these simulations, researchers model the continuous space within a hadron as a grid of points called a lattice. They also imagine that time passes in discrete ticks, all of which makes the mathematics far easier. Researchers place the quarks and gluons on the lattice points and use supercomputers to simulate their interactions, using lattices with smaller and smaller spacing to approximate the real hadron. In November 2008, a different team of theorists used lattice QCD to calculate to high precision masses of the proton, neutron, and other three-quark particles.

Now, Davies and colleagues have essentially turned the process around and used lattice QCD to calculate the up-quark and down-quark masses. The individual quark masses usually serve as inputs that get tuned to the appropriate values during the calculation of the hadron’s properties. It might seem like physicists could simply write down those values and call the problem solved, but it gets tricky. The exact values of the quark masses depend on mathematical methods used in the simulation. Moreover, each quark mass comes out with a sizable uncertainty. Davies and colleagues found a way to get around such problems, however. Instead of trying to calculate the mass of each type of quark independently, they calculated ratios of those masses.

Specifically, they calculated the ratio of the charm-quark mass to the strange-quark mass. They combined this with calculations from another group of the ratios of strange-quark mass to up-quark mass and to the down-quark mass. Those ratios come out with much smaller uncertainties, explains G. Peter Lepage, a team member from Cornell University. And they can be combined with an already-known value of the charm-quark mass—which is easier to determine because it's about 500 times bigger—to finally nail down the masses of the lightest quarks, as the researchers report this week in Physical Review Letters. The team finds that an up quark weighs 2.01 +/- 0.14 megaelectron-volts, whereas a down quark weighs 4.79 +/- 0.16 MeV. That’s 0.214% and 0.510% of the mass of the proton, respectively.

Knowing the light-quark masses is “absolutely essential in a bunch of ways,” Mackenzie says. Those masses help predict what particle collisions at the LHC and elsewhere should look like according to theorists’ “standard model.” In turn, those calculations are key for spotting discrepancies that might point to new particles or phenomena, he says. What's more, whereas the standard model treats the quark masses as arbitrary, physicists hope to develop deeper theories that might explain, for example, why they have the values that they do. The quark masses would provide an important benchmark for such effort, Mackenzie says.

Still, Norman Christ, a theorist at Columbia University, says that Davies and colleagues make certain assumptions and approximations in their particular calculations that need to be tested. “You want to see it confirmed by an independent means, hopefully by a competing group that's trying to show this group is wrong and has to be dragged kicking and screaming to admit their results agree.”

Fuente:Science
by Adrian Cho on April 2, 2010 5:56 PM