Popular channels

El deuterón y los viajes en el tiempo.













Una noticia en el periódico ABC sobre “una partícula que puede resolver uno de los grandes misterios de la física”, del físico Bira van Kolck, ha pasado desapercibida mediáticamente hablando, desde hace ya un tiempo:

http://www.abc.es/20111013/ciencia/abci-particula-puede-resolver-grandes-201110131137.html

La noticia es sensacionalista y la redacción es bastante discutible. Empieza con el titular, que habla de “una partícula” cuando en realidad el deuterón es el núcleo del deuterio, un isótopo del hidrógeno, formado por un protón y un neutrón. Luego viene el primer párrafo con “una nueva hipótesis que, de confirmarse, también haría pedazos el modelo estándar de la física” y ya que estamos, siguiendo la estela de Íker Jiménez, “el misterioso fenómeno de la reversión temporal – ¿puede el tiempo ir hacia atrás en un nivel cuántico?” Y así sigue hasta que al final nos aclara que “el científico y su equipo han encontrado mecanismos de la violación de esta simetría [la inversión temporal] que se corresponden con diferentes medidas de momentos magnéticos del deuterón.” Pero, ¿qué significa todo esto? ¿Es tan revolucionario este descubrimiento? Permitidme que os lo aclare.

Las leyes físicas de las partículas elementales, el modelo estándar, afirman que tras la gran explosión (big bang) el universo contenía la misma cantidad de materia que de antimateria, pero en la actualidad hay una partícula de materia (barión) por cada diez mil millones de fotones y no hay ninguna partícula de antimateria (antibarión), salvo en los laboratorios de física de partículas. ¿Qué pasó con la antimateria? Se cree que cuando el universo tenía solo una millonésima de segundo, todas las partículas de materia se aniquilaron con las de antimateria, salvo un pequeño exceso, un barión de cada diez mil millones se salvó. Por eso la materia del universo es solo bariónica (que se sepa a día de hoy).

Las condiciones físicas para que se pudiera haber dado esta asimetría entre materia y antimateria fueron estudiadas en 1967 por el físico ruso Andréi Sájarov (Premio Nobel de la Paz en 1975). Una de las tres condiciones necesarias es la existencia de una violación de la simetría CP en el modelo estándar. Toda teoría cuántica relativista razonable debe ser invariante ante la simetría combinada CPT, donde C es la simetría de conjugación de carga (intercambio de las partículas por las antipartículas), P es la simetría de inversión de paridad (cambio en la dirección del vector velocidad) y T es la simetría de inversión temporal (cambio en la dirección de la flecha del tiempo). El teorema CPT afirma que si una teoría no es invariante ante la simetría combinada CPT se violarán las leyes de la relatividad de Einstein (invarianza Lorentz) y aparecerán probabilidades cuánticas negativas. Pero el teorema CPT permite que una teoría física viole la simetría CP (en cuyo caso también violará la simetría T) o la simetría PT (también violaría C) o la simetría CT (también P).



En el modelo estándar se sabe que hay violaciones de la simetría CP asociadas a la interacción electrodébil. En concreto con los kaones (mesones K), un hecho descubierto en 1964 y premiado con el Nobel de Física en 1980, y en la de los mesones B, descubierto en 2001, aunque estas violaciones son demasiado pequeñas para explicar la asimetría entre materia y antimateria. Todos los físicos creen que tiene que haber otras violaciones adicionales de la simetría CP en el modelo estándar que expliquen la asimetría entre materia y antimateria.

Una posibilidad interesante es que dicha violación sea introducida por la teoría de la interacción fuerte, la cromodinámica cuántica (QCD). En el modelo estándar, la QCD cumple la simetría CP a rajatabla y todos los experimentos realizados hasta ahora así lo confirman. Sin embargo, si existiera física más allá del modelo estándar (nuevas partículas o nuevas interacciones) podría haber pequeñas violaciones de la simetría CP en la interacción fuerte y estas violaciones podrían explicar la asimetría materia-antimateria incluso siendo muy pequeñas, porque la interacción fuerte es muy fuerte.

La búsqueda experimental de violaciones de la simetría CP en la interacción fuerte requiere un modelo teórico que nos indique qué esperamos observar. Como la QCD es una teoría muy complicada, se utilizan aproximaciones (teorías efectivas) que simplifican los cálculos. El físico van Kolck es experto en modelos efectivos quirales que consideran la existencia de solo dos quarks, los dos de menor masa, el quark arriba y el quark abajo que forman parte de los protones y de los neutrones en los núcleos de los átomos. Cuando estos modelos se utilizan para aproximar la física predicha por la QCD no se incluye ningún término que viole la simetría CP, sin embargo, podemos añadirles de forma artificial nuevos términos que violen dicha simetría y estudiar las consecuencias que resultan de su inclusión, por ejemplo, en la física del neutrón o en la del núcleo atómico más sencillo el deuterón.



El efecto más importante en la física del neutrón debido a la violación de la simetría CP en la interacción fuerte es la aparición de un momento dipolar eléctrico permanente (EDM). Se forma un dipolo cuando tenemos dos cargas de signo opuesto y el dipolo lleva asociado un momento dipolar eléctrico. El neutrón está formado por un quark arriba con carga eléctrica +2/3 y dos quarks abajo con cargas -1/3, por lo que es neutro para la carga eléctrica. La posibilidad de que estas cargas doten al neutrón de un momento dipolar eléctrico fue estudiada incluso antes de que se supiera que está formado por quarks. En 1950 ya se midió que su valor, de existir, era menor que 5 x 10-20 e cm (donde e es el valor de la carga eléctrica). Hoy en día, sabemos que es menor que 3 x 10-26 e cm, y hay varios experimentos propuestos para mejorar este valor en al menos un factor de cien. Estos experimentos utilizan neutrones, deuterones o núcleos de helio enfriados a muy baja temperatura (más información en este artículo). No quiero olvidar mencionar que el modelo estándar no predice un valor exactamente cero del EDM del neutrón, aunque el cálculo exacto es muy difícil de realizar, se estima que es del orden de 10-32 e cm, un millón de veces menor que el mejor límite experimental (más información para físicos interesados).

Mucho rollo introductorio pero todavía no he dicho qué es lo que han logrado Bira van Kolck y sus colegas en su artículo “Parity- and Time-Reversal-Violating Form Factors of the Deuteron,” cuya publicación en Physical Review Letters ha sido la mecha que ha encendido la noticia. Estos físicos se han dado cuenta de una cosa curiosa, todos los experimentos que han tratado de medir la EDM del neutrón han supuesto que la QCD viola la simetría CP (y la simetría T), pero ninguno ha tenido en cuenta la posibilidad de que se viole la simetría PT (y la simetría C, pero no la CP). Su artículo considera cuáles serían los términos que habría que añadir a una teoría efectiva quiral con solo dos quarks que viole la simetría PT y cuales serían las consecuencias de su inclusión en los experimentos que buscan detectar la EDM del neutrón utilizando el deuterón (en otros artículos ha considerado las consecuencias en otro tipo de experimentos). Su artículo es una propuesta teórica para ayudar a los físicos experimentales y ahora es un buen momento para proponerla pues hay varios experimentos en curso que se beneficiarán de esta propuesta.



Con los pies en la tierra, si los experimentos con deuterones confirmasen la posibilidad de que la QCD viole la simetría PT, no se haría pedazos el modelo estándar, ni resultaría que el tiempo va hacia atrás a nivel cuántico, ni tendríamos la respuesta definitiva al problema de la asimetría entre materia y antimateria (todo depende de lo grande que fuera la violación de la simetría PT). El trabajo de Kolck y sus colegas es muy interesante para los especialistas, pero en mi opinión no merece la relevancia que se le ha dado (quizás influida por el interés en la física de partículas que ha despertado la noticia de los neutrinos superlumínicos). Hay muchos físicos españoles que publican con regularidad artículos en Physical Review Letters tan “importantes” como el de Kolck o más, y los medios no se hacen eco de sus trabajos.
0
1
0
1Comment
blasnoailles

su puta madre lo va a leer

0