El encanto del mesón J/Psi y la belleza del primer mesón B observados en el detector LHCb del CERN

MiGUi nos recordaba en el “El encanto del mesón J/Psi,” migui, Ciencia y Cultura, 18 Abr. 2010, la historia de Gell-Mann y su vía óctuple, y el descubrimiento del mesón J/Psi simultáneamente en el SLAC (Richter) y en el BNL (Ting) en 1974, de ahí los dos nombres para esta partícula, que confirmó definitivamente el modelo de los quarks. “El mesón J/Psi tiene una masa de 3097 MeV/c² y está hecho de un quark encanto y un antiquark encanto, el cuarto sabor de los quarks conjeturado en 1970 por Glashow, Iliopoulos y Maiani. En 1976 Richter y Ting compartieron el Nobel de física por el descubrimiento.” Si no lo conoces te recomiendo su artículo, traducción libre de Stefan and Bee, “The J/Psi Resonance,” Backreaction, December 8, 2007.

Lo único que le he echado en falta al artículo de MiGUi es la figura que abre esta entrada, la primera reconstrucción en el detector LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) en el LHC del CERN de la partícula J/Psi con colisiones a √s = 7 TeV (obtenida el 10 de abril de 2010). En el LHCb se ha calculado una masa 3092’7 ± 2’4 MeV/c², un valor muy bueno comparado con el mejor calculado por el Particle Data Group, 3096’916 ± 0’011 MeV/c². Esta reconstrucción se ha obtenido gracias al estudio de la masa invariante para pares de muones μ+ y μ observadas en la desintegración de mesones B+ cuya masa en reposo es de 5’32 GeV/c². Esta partícula tiene una masa 5’5 mayor que la masa del protón, pero 650 veces más pequeña que la energía de los protones que colisionan en el LHC, lo que nos recuerda que en el LHC las partículas de materia se crean a partir de la energía gracias a la famosa fórmula de Einstein E=m c². Nos lo han contado en “First reconstructed Beauty Particle,” Current News, LHCb, 21 April 2010.

LHCb es el detector del LHC especializado en el estudio de las partículas con “belleza” (con un quark b, bottom o belleza). La primera partícula “bella” que el LHCb ha sido capaz de observar ha sido el mesón B+ formado por un quark u (arriba) y un antiquark b (belleza). Esta partícula tiene una vida media de 1’5 picosegundos y se observó por primera vez el 5 de abril de 2010 tras la observación de 10 millones de colisiones protón-protón. El mesón B+ se desintegró en dos partículas tras recorrer solamente 2 mm. (milímetros). Se desintegró en un par de mesones J/ψ y K+. La primera de estas partículas se desintegró inmediatamente en dos partículas de larga vida, un par de muones μ+ y μ que junto con la partícula K+ atravesaron los detectores, dejando una trayectoria de señales a la espera de su reconstrucción por parte de los físicos. La reconstrucción de sus trayectorias se obtuvo con gran precisión como se muestra en la figura de arriba. Lo que los detectores observaron es lo que se ve aquí abajo. Como no, el LHC está reconstruyendo el Modelo Estándar paso a paso, partícula a partícula. Todos los físicos de los experimentos del LHC estén realizando a la perfección sus deberes.Esta reconstrucción del Modelo Estándar es una gran labor necesaria para que dentro de unos meses se pueda empezar a buscar nueva física más allá del Modelo Estándar. Esta labor no será noticia dentro de unos meses. Nadie se acordará entonces del gran trabajo que están realizando estos físicos ahora. Por eso creo que es ahora cuando nos debemos alegrar de esta gran labor que, en mi opinión, merece todos nuestros titulares. Enhorabuena, compañer@s

Por cierto, acabo de ver en Menéame que esta noticia del LHCb ya fue meneada y llegó a portada. Se me adelantó Christian Leal, “Colisionador de Hadrones crea su primera partícula de antimateria y confirma teoría de Einstein,” Bio-Bio, la radio, 23 Abril 2010. No importa, mi entrada es un guiño a MiGUi.

Anuncios

La capacidad del LHC a 7 TeV para descubrir la supersimetría durante los próximos dos años

Algunos lectores de este blog opinan que soy muy pesimista en cuanto a las posibilidades de que el LHC del CERN descubra algo interesante en los próximos dos años. Los pesimistas también tenemos algo de optimismo. Por eso me hago eco de un artículo de Baer et al. que estudia cuál es la capacidad del LHC a √s=7 TeV, sea LHC7, para descubrir la supersimetría con una luminosidad integrada de sólo 1 fb-1 (la que alcanzará el LHC en los próximos dos años). En un artículo anterior ya lo hicieron para √s=10 TeV, sea LHC10, y la capacidad del LHC a √s=14 TeV, sea LHC14, es bien conocida. La figura de arriba es el resultado más importante de su artículo, obtenida con simulaciones de Montecarlo para el modelo minimal supersimétrico (MSSM). Resumiendo mucho, la figura nos indica que el LHC7 en los próximos dos años podrá producir gluinos con una masa hasta 1’1 TeV,  si la masa de los squarks es similar a la de los gluinos, y hasta 650  GeV, si los squarks tienen una masa mucho mayor que los gluinos. Recordemos que los gluinos y los squarks son las partículas supercompañeras de los gluones y los quarks, respectivamente. No está nada mal, teniendo en cuenta que en el peor caso, cuando el LHC14 haya alcanzado una luminosidad integrada de 100 fb-1, será capaz de descartar (o ya habrá encontrado) gluinos con una masa hasta 3’1 TeV, si la masa de los squarks es similar a la de los gluinos, y hasta 1’8  TeV, si los squarks tienen una masa mucho mayor que los gluinos. Una luminosidad integrada de 100 fb-1 será la que esperamos que haya alcanzado el LHC14 cuando esté a punto de ser clausurado, obviamente, si la masa de los gluinos o squarks es mucho menor, el LHC14 descubrirá estas superpartículas con una luminosidad integrada mucho más baja. Nos lo cuentan Howard Baer, Vernon Barger, Andre Lessa, Xerxes Tata, “Capability of LHC to discover supersymmetry with \sqrt{s}=7 TeV and 1 fb^{-1},” ArXiv, Submitted on 20 Apr 2010.

La supersimetría es una teoría que introduce decenas (casi cientos) de parámetros nuevos en el Modelo Estándar, por lo que estudiar todos los posibles modelos supersimétricos es prácticamente imposible. Normalmente se toman cinco parámetros como conjunto mínimo para todos los estudios sobre la posibilidad de descubrir la supersimetría en aceleradores de partículas como el Tevatrón y el LHC. Observa la figura que abre esta entrada. El parámetro m0, eje de abcisas en la figura, es la masa de la partícula (bosón) escalar supersimétrica menos masiva (sin tener en cuenta los higgsinos); m1/2, eje de ordenadas a la izquierda en la figura, es la masa del fermión supersimétrico (gaugino) menos masivo, normalmente tomado como la masa del gluino, m‾g, eje de ordenadas a la derecha en la figura; A0=0, tan β=45, y μ>0, en lo alto de la figura, son valores asociados a los campos de Higgs que median la ruptura de la supersimetría, para los que se han tomado valores típicos y razonables en un modelo minimal supersimétrico; finalmente, mt, es la masa del quark top, la partícula más masiva del modelo estándar. En la figura, los valores de 111 GeV y 114 GeV corresponden a la masa del bosón de Higgs, y las líneas discontinuas marcadas 500 GeV, 600 GeV, etc. corresponden a las masas del gluino. La figura es muy densa (el artículo presenta dos figuras más similares a ésta, que omito aquí por brevedad) por lo que explicarla en detalle va más lejos de lo que pretendo con esta entrada. Lo que me gustaría destacar es que en esta figura se ha supuesto que los detectores de ATLAS y CMS del LHC funcionarán a la perfección, como se ha observado en diciembre pasado que así ocurría en colisiones a √s=0’9 TeV y √s=2’36 TeV.

Seamos optimistas y consideremos el mejor caso. En diciembre de 2010 el LHC7 podría haber observado un gluino con una masa de 480 GeV y en primavera de 2011 uno con una masa de 540 GeV. Incluso, si el gluino tuviera una masa de 700 GeV, a finales de 2011 tendríamos evidencia suficiente de su posible existencia como para que durante 2012 el LHC no fuera parado temporalmente y siguiera con sus colisiones a √s=7 TeV hasta obtener a finales de 2012 confirmación de su existencia.

Por cierto, los autores del artículo centran su estudio en las posibilidades de encontrar los gluinos y los squarks, por qué no consideran las posibilidades de encontrar candidatos a materia oscura, partículas WIMP como el neutralino (partícula mezcla de las supercompañeras del bosón Z (zino), el fotón (fotino) y el bosón de Higgs (higgsino), ya que todas tienen los mismos números cuánticos). La razón es sencilla, estas partículas serán prácticamente imposibles de detectar directamente en el LHC ya que no interactúan con los detectores. Su detección será indirecta, igual que la de los neutrinos, por la energía (transversal) perdida en ciertas colisiones (MEt por missing transverse energy). La diferencia entre un neutrino y un neutralino es que este último no interactúa mediante la fuerza electrodébil por lo que la pérdida de energía no vendría acompañada de bosones vectoriales. La observación de un neutralino requiere valores de MEt mayores de 100 GeV. El descubrimiento de candidatos a materia oscura sería un gran logro para el LHC pero no sería una demostración de la supersimetría que sólo será descubierta definitivamente mediante observación directa de las superpartículas que predice. Más sobre la búsqueda de materia oscura en colisionadores de partículas en T. Dorigo, “Dark Matter searches at colliders – part I,” A Quantum Diaries Survivor, April 23, 2008, y “Dark Matter Searches at Colliders – part II,” AQDS, April 28, 2008 (de esta última he extraído la figura del zoo de superpartículas). En otra ocasión hablaremos en este blog del LHC y la materia oscura.

Mucho optimismo hay en mis palabras hoy y en las conclusiones del artículo de Baer et al., pero con un sol primaveral entrando por la ventana uno tiende a ser optimista y a preferir pasear por un parque a escribir entradas en su blog.