Los científicos que trabajan en el destructor de átomos más grande del mundo han captado una extraña partícula subatómica en el acto de cambiar de materia a antimateria. El descubrimiento podría ayudarnos a comprender cómo se salvó el universo de la aniquilación total poco después de su explosión.
Usando datos de la segunda ejecución del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), investigadores de la Universidad de Oxford detectaron el mesón encanto, una pequeña partícula que contiene tanto una versión de materia como de antimateria del quark, el bloque de construcción fundamental de la materia, que se transforma entre los dos estados.
Cada partícula tiene una antipartícula con la misma masa, vida útil y giro atómico, pero con la carga opuesta. Algunas partículas, como el fotón (partículas de luz) son su propia antipartícula, mientras que otras pueden existir como materia y antimateria al mismo tiempo, gracias a las extrañas peculiaridades de un fenómeno llamado superposición cuántica.
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El mesón encanto cae en esta categoría final. Superposición cuántica, que surge de mecánica cuántica, o las extrañas reglas que gobiernan el mundo de lo muy pequeño – permite que las partículas diminutas existan en muchos estados diferentes a la vez, esencialmente como una mezcla de partículas diferentes, hasta que dichas partículas se observan y eligen un estado en el que aterrizar. En lugar de solo al ser partículas, también son como pequeñas ondas, y la magnitud de estas ondas en cualquier punto dado del espacio representa la probabilidad de encontrar una partícula en ese punto.
Cuando el mesón encanto (formalmente llamado D0) y su contraparte antipartícula (anti-D0) existen en superposición, las ondas de D0 y anti-D0 se superponen de varias maneras para formar otras dos partículas de materia, llamadas D1 y D2, que también están en un estado de superposición. Aunque D1 y D2 están formados por los mismos ingredientes de partículas (D0) y antipartículas (anti-D0) entre sí, tienen mezclas ligeramente diferentes de cada uno, lo que les da diferentes masas y tiempos de vida.
Lo contrario también es cierto; D1 y D2 también pueden superponerse para producir D0 o anti-D0, dependiendo de cómo se agreguen uno encima del otro.
«Se puede pensar que el D0 está hecho de una mezcla de D1 y D2, o que D1 está hecho como una mezcla de D0 y anti-D0, son solo dos formas de ver los mismos fenómenos», dijo el coautor Chris Parkes, un físico experimental de la Universidad de Manchester y portavoz del LHC, dijo a WordsSideKick.com.
Debido a que la masa de estas ondas de partículas decide su longitud de onda y, por lo tanto, cómo interfieren entre sí, la diferencia de masa entre el D1 más pesado y el D2 más ligero decide qué tan rápido el mesón encanto cambia entre su materia (D0) y antimateria ( anti-D0).
Y esta diferencia de masa es absolutamente minúscula: solo 3.5×10 ^ menos 40 onzas (o 0.00000000000000000000000000000000000000001 kilogramos).
Para hacer una medición tan precisa, los investigadores observaron 30,6 millones de mesones encantadores justo después de que se formaron cuando dos protones se estrellaron juntos dentro del LHC. Los mesones encantadores solo viajan una fracción de pulgada antes de descomponerse en partículas más ligeras, pero los detectores ultraprecisos dentro del acelerador de partículas permitieron al equipo comparar los mesones encantadores que viajaron la distancia más corta con los que fueron más lejos. Luego, los investigadores usaron esa diferencia para calcular la diferencia de masa entre los dos estados posibles.
Esta es la segunda vez que se detecta una partícula oscilando entre materia y antimateria de esta manera, siendo la primera una medición de 2006 del mesón de extraña belleza. Pero detectar esto en el mesón encanto fue mucho más difícil porque, por lo general, la partícula inestable se desintegra antes de que pueda hacer el cambio, según los investigadores.
«Lo que hace que este descubrimiento de la oscilación en la partícula del mesón encanto sea tan impresionante es que, a diferencia de los mesones de belleza, la oscilación es muy lenta y, por lo tanto, extremadamente difícil de medir dentro del tiempo que tarda el mesón en descomponerse», coautor Guy Wilkinson. , físico experimental de la Universidad de Oxford, dijo en un comunicado.
Las partículas que pueden dar el salto entre la materia y la antimateria son importantes porque se encuentran en el núcleo de uno de los mayores misterios de la ciencia: por qué existe el universo en primer lugar.
Según The Standard Model, la teoría que describe las partículas fundamentales que componen el universo, la materia y la antimateria fueron creadas en cantidades iguales por el Big Bang. Sin embargo, el universo en el que vivimos está compuesto casi en su totalidad por materia. Y debido a que la materia y la antimateria se aniquilan entre sí al entrar en contacto, el universo debería haberse aniquilado en el mismo momento, o poco después, en que comenzó. Entonces, ¿cuál fue la causa del desequilibrio?
Algunas hipótesis sugieren que partículas como el mesón del encanto podrían haber salvado al universo material de la aniquilación, especialmente si pasan de la antimateria a la materia con más frecuencia que al revés. Con un LHC mejorado que se volverá a encender en septiembre después de haber estado cerrado durante más de tres años, y las investigaciones de mesones similares programadas para el experimento Belle II de Japón, el descubrimiento de más pistas puede no estar tan lejos.
Los investigadores publicaron sus hallazgos el 7 de junio en el servidor de preimpresión arXiv, por lo que el estudio aún no ha sido revisado por pares.
Publicado originalmente en Live Science.