¿Quién encargó esto? (y 3): Anomalías en física de sabor (esto no es un artículo sobre nueva cocina)

Publicado por y Avelino Vicente

(Viene de la segunda parte) física de sabor

Cuando los científicos de nuestro gremio oyen la frase «nueva física», se ponen tan contentos y esperanzados como cualquier banda de creyentes a los que se les anuncia la llegada del mesías… y eso que también en nuestro caso y desde hace ya bastantes décadas, el dichoso Mesías no llega. Algún profeta sí hemos tenido, en particular el neutrino. Uno de los autores de este artículo, el más viejo, anduvo años en Japón, participando en experimentos que demostraron que el neutrino tiene masa, cosa no prevista por nuestros Evangelios —también llamados Modelo Estándar— y sigue empeñado en realizar experimentos, en el laboratorio subterráneo de Canfranc, para demostrar que el neutrino es su propia antipartícula, algo que, caso de ser cierto, nos daría alguna pista de por qué existe nuestro universo —ahí es nada—. Pero en los últimos tiempos, como hemos contado en nuestros artículos anteriores, la partícula de moda que despierta fervores y pasiones es el muón, ese primo masivo del electrón cuya aparición vino a señalar que la naturaleza era mucho más misteriosa de lo que nos imaginábamos (de ahí la célebre frase de I. Rabí cuando le explicaron el descubrimiento de una copia de electrón que no parecía venir en absoluto a cuento: «¿pero quién encargó esto?»). En esta última entrega, vamos a presentar la crónica de las graves acusaciones que pretenden culpar a nuestro díscolo electrón masivo, acusándolo nada menos que de ser un violador. Y no un violador cualquiera. Sospechamos que el muón podría estar violando nada menos que la universalidad leptónica.

Pero vayamos por partes. En física de partículas nos gustan los nombrecitos caprichosos. Así, por ejemplo, hablamos de que los quarks (las partículas subatómicas de las que están hechos protones y neutrones) tienen color. Aseguramos que hay quarks rojos, azules y verdes y nos quedamos tan anchos. Decimos, además, que la teoría que los estudia, es la cromodinámica cuántica, o en otras palabras la teoría cuántica del color. Por supuesto, con color, nos estamos refiriendo a un tipo de carga que poseen los quarks. Al igual que los electrones pueden venir en versión electrón (carga eléctrica negativa) o positrón (partícula de antimateria, idéntica al electrón excepto por su carga eléctrica positiva), los quarks poseen además de carga eléctrica otra carga asociada con una interacción que llamamos «fuerza fuerte» y cuyo efecto es confinarlos de manera perenne en el interior de neutrones y protones. Esta carga fuerte en lugar de tener dos estados (+, -) como el caso de la carga eléctrica, tiene tres, que podríamos haber denominado (1, 0, -1) o (a, b, c), pero que, caprichosos como somos, decidimos bautizar con rojo, azul y verde.

Análogamente, cuando los científicos del gremio se dieron cuenta de que la naturaleza parecía haber diseñado tres familias de electrones, cada vez más pesados (el electrón, el muón y el tau), acompañados de sus correspondientes neutrinos (neutrino electrónico, muónico y tauónico) y, ómo no, de tres familias de quarks (arriba y abajo, extraño y encanto, suelo y cima, también llamados a veces belleza y verdad), decidieron denominar a estas familias «sabores». Como si uno pudiera llegar a un restaurante de moda y en la carta le dieran a elegir una ensalada con sabor electrónico, muónico o tauónico, seguido de un caldo de encanto con unos toquecitos extraños.

Pues bien. En los Evangelios del Modelo Estándar está escrito: «no violarás la universalidad leptónica». Lo que ese mandamiento impone es que las tres familias son copias redundantes de la naturaleza, idénticas en todo excepto en su masa. Así, la universalidad leptónica asegura que en lo único que se diferencian el electrón, el muón y el tau, es en que el primero es muy ligero (con una masa de 511 kilo-electrónvoltios o keV), el segundo tiene una masa 200 veces mayor que el primero (105 mega-electrónvoltios o MeV) y el tercero una masa unas 17 veces mayor que el segundo (1.7 giga-electrónvoltios o GeV). Aparte de ese «detallito» (si el electrón fuera un señor de 70 kilos, su primo muón pesaría tonelada y media y su primo tau casi 240 toneladas), dicen nuestros Evangelios que las tres partículas deben comportarse de forma idéntica. 

Lo cierto es que a los físicos de partículas nos encantaría cargarnos nuestros propios Evangelios y para ello no dudamos en realizar sofisticados experimentos, tratando de encontrar alguna pega en ellos. No podemos negar, que, como a todos los revolucionarios, nos ocurre a veces que desnudamos un santo para vestir a otro. Durante las primeras décadas del siglo pasado, una serie de sofisticados experimentos demostraron que la teoría newtoniana de la gravedad era falsa y la reemplazamos por una nueva teoría, la relatividad general de Einstein (en lenguaje políticamente correcto decimos que la relatividad general «extiende» a la teoría de Newton). Pues bien, llevamos cosa de 100 años intentando derribar a san Alberto de su pedestal (de la misma manera que derribamos a san Isaac), pero todavía no lo hemos conseguido. Y en lo mismo estamos con la universalidad leptónica: buscamos un pequeño resquicio que nos permita tumbarla y si con ello le pegamos fuego al Modelo Estándar tanto mejor. Somos así de herejes.  

Una manera de buscarle las cosquillas a nuestra teoría favorita es la siguiente. Según el Modelo Estándar, las tres familias (sabores) de leptones deben relacionarse de la misma manera, con ciertos sujetos, llamados Bosones Vectoriales Intermedios (lo dicho, a los físicos de partículas nos encantan los nombrecitos). Hay tres de estos bosones, que podemos imaginar como primos masivos del fotón o cuanto de luz: dos de ellos tienen carga eléctrica (W+ y W-) mientras que el tercero, llamado Z, no la tiene. Una partícula Z puede «acoplarse» a leptones o quarks, siempre que en la reacción se conserve la carga. Por ejemplo, en las interacciones entre electrones y positrones del gran acelerador de partículas de los años 90 y 2000, LEP, los e- se aniquilaban con e+ produciéndose millones de partículas Z que a su vez se podían desintegrar en otras partículas. Por ejemplo, de nuevo en e+ e-, pero también en mu+, mu- (muones), tau+ tau- (taus) o las tres especies de neutrinos. El Modelo Estándar predice con gran exactitud la probabilidad de desintegración en cada caso y la propiedad de universalidad leptónica nos asegura que, de hecho, la probabilidad de que el Z se desintegre a electrones, muones o taus (excepto por pequeñas correcciones asociadas a la masa) es la misma. Pues bien, en LEP buscamos con empeño alguna pista de que esto no fuera así… sin conseguirlo. El Z hacía exactamente lo que se esperaba de él. 

física de sabor
Visualización de un evento en el detector LHCb en el que un mesón B se desintegra produciendo un electrón y un positrón. Fuente: CERN.

Sin embargo, en el año 2014 la colaboración LHCb anunció un resultado que desde entonces ha atraído una enorme atención en la comunidad. No hay conferencia que se precie en la que no se hable del tema. Para entenderlo, hay que explicar dos cosas. La primera, que LHCb es un experimento especializado en física de sabor y no, no es un restaurante nouvelle couisine, sino un gigantesco detector que opera en el gran colisionador de hadrones, LHC, y cuya especialidad es observar con nitidez procesos que involucran familias (de leptones y quarks) diferentes. Por otro lado, como ya hemos apuntado, los quarks ligeros (arriba y abajo, o u,d) son los ingredientes con los que se amasan los protones y neutrones. Pues bien, con las otras familias de quarks podemos amasar partículas parecidas. Por ejemplo, los mesones B+, formados por un antiquark belleza y un quark arriba, y los mesones K+, formadas por un antiquark extraño y un quark arriba. Los B+ pueden desintegrarse en K+, produciendo en el proceso un par de leptones. El Evangelio nos asegura que da lo mismo que ese par de leptones sean muones o electrones (porque está escrito en las tablas de la ley que «no violarás universalidad leptónica») pero los físicos del LHCb, blasfemos donde los haya, han decidido comprobar si esto es así. Para ello, han contado el número de veces que el mesón B+ se desintegra a un mesón K+ y un par de muones, y el número de veces que dicho mesón se desintegra a un mesón K+ y un par de electrones. Si Universalidad Leptónica es cierta, el número es el mismo y el cociente entre ambas cuentas, al que llamamos RK debe ser igual a 1. Sin embargo, la colaboración LHCb encuentra un valor de RK diferente de uno, concretamente RK = 0.846 +- 0.04

La medida de RK da un valor no muy lejano a uno con un error de aproximadamente un 5 %. En la práctica, eso quiere decir que, debido a ese error de medida, existe una pequeña probabilidad de que RK sea de verdad uno y el LHCb haya medido 0.846. Esa probabilidad es del 10 %.  A primera vista no parece muy grande, pero considere el lector si subiría en un avión con un 10 % de posibilidades de estrellarse. Ni de broma, ¿verdad? Pues aquí ocurre lo mismo. El margen de error es todavía lo bastante grande como para que no tiremos las campanas al vuelo, aunque, eso sí, el resultado es lo bastante diferente de uno como para sugerir que algo insospechado puede estar pasando.

Seguro que algún avispado lector se está haciendo una pregunta clave. Que RK sea menor que 1 puede deberse a un exceso de electrones o a un defecto de muones (o a una combinación de ambos). ¿De cuál se trata? Nuestros colegas de LHCb también se han hecho esta pregunta y su respuesta es clara: el número de electrones producido concuerda muy bien con lo esperado. Así que los culpables parecen ser, (¡sorpresa!) los muones. Algo les sucede que provoca que se produzcan menos de los esperados cuando los mesones B+ se desintegran.

Y esto no es todo. El experimento LHCb ha realizado muchas medidas de cantidades relacionadas con mesones B y sus desintegraciones produciendo muones. Lo mismo han hecho los experimentos Belle y BaBar, otros dos restaurantes de lujo (perdón, experimentos de moda) en el campo de la física de sabor. Y resulta que en muchas de estas medidas aparecen pequeñas discrepancias con lo predicho por el Modelo Estándar. Pequeñas, pero persistentes. No sólo no desaparecen al acumular más datos, sino que se refuerzan y parecen apuntar en una dirección muy concreta, formando un patrón coherente. Y una vez más, los muones están por medio.

física de sabor
Comparación entre las medidas experimentales (en azul) y las predicciones teóricas (amarillo) del cociente RK y otros observables similares medidos por LHCb y otros experimentos durante la última década. Fuente: Patrick Koppenburg (LHCb).

Es demasiado pronto para romper las tablas de la ley de la universalidad leptónica. Para saber si esto va en serio o no es más que un capricho de la estadística (tampoco sería la primera vez que la estadística juega a los físicos malas pasadas) es necesario acumular más datos, de tal manera que el error en RK sea tan pequeño como para ser incompatible (esto es, resulte en probabilidades ridículamente bajas) con el Modelo Estándar. 

Supongamos por un momento, que, finalmente, el LHCb consigue demostrar que los muones se comportan de manera diferente a los electrones. En ese momento, es fácil que se oiga de nuevo la voz de Rabi, preguntando, pero quién narices ordenó esto. Quien quiera que fuera, tendrá que explicarlo. Los físicos teóricos (entre los que se cuenta el autor más joven de este artículo) no paran de elucubrar, claro está. Como muestra de sus especulaciones ahí van dos propuestas. Quizás exista una partícula Z’ que sería un primo pesado del Z (que a su vez es un primo pesado del fotón). O quizás la naturaleza haya ordenado los leptoquarks. Esto implicaría que los leptones y los quarks pueden relacionarse de formas completamente nuevas a través de estas partículas exóticas. Ahí se lo dejamos.

Un momento. ¿Todo lo que se nos ocurre es añadir bosones más pesados, o nuevas partículas exóticas? ¿Estamos explicando algo así? Si no sabíamos quién ordenó el muon, ¿sabemos quién ordenó el Z’? ¿O los leptoquarks? ¿O más bosones de Higgs que podrían estar rondando por ahí? ¿O la materia oscura que aún no hemos descubierto, pero sabemos que anda suelta, debido a sus más que visibles efectos gravitatorios?

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Procesos fundamentales en la desintegración del mesón B. El diagrama de la izquierda muestra la desintegración en el Modelo Estándar, en la cual intervienen el fotón y el bosón Z y se producen electrones y muones con la misma probabilidad. Por otro lado, el diagrama de la derecha muestra un posible proceso con una nueva partícula exótica, un leptoquark, uno de los principales sospechosos para explicar la violación de la universalidad leptónica. Fuente: LHCb.

No, no sabemos quién ordenó todo esto. Todo lo que podemos hacer es construir teorías que mejoren las que ya tenemos, y pensar en experimentos que nos permitan quemar la siguiente edición de los Evangelios. La ciencia no nos ofrece certezas, ni explicaciones definitivas, ni riquísimos puertos en las que anclar nuestros navíos al final de la travesía. La sorpresa y el asombro no tienen límites, nuestra fe —creemos que es posible interrogar a la naturaleza y que siempre nos responde con la verdad— y nuestras ganas de blasfemar, tampoco. El viaje a Ítaca no tiene final.

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One Comment

  1. La parte negativa del reconocimiento por parte de los físicos de que el modelo sea erróneo, es que da alas para que gran número de religiosos señalen que la respuesta no está en la ciencia, sino en una deidad.

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