El Tevatrón del Fermilab sigue vivo y coleando

En “nueva física para el año nuevo en el experimento CDF del Tevatrón en el Fermilab,” 7 enero 2011, nos hacíamos eco de un resultado sorprendente observado en las colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón que producen pares de quarks top-antitop con una energía en el centro de masas mayor de 450 GeV (alrededor del 30% de los eventos): el número de quarks top que se producen en la dirección del haz de protones (forward) es mayor que el número de los que se producen en la dirección del haz de antiprotones (backward). El modelo estándar predice que así será un 9% de las veces, pero CDF ha observado que ocurre un 48±11 % de las veces, una desviación de 3’4 sigma (5 sigma sería un descubrimiento y 3 sigma una mera fluctuación estadística). Se publica ahora un nuevo análisis (para las desintegraciones semileptónicas del quark top) que confirma el resultado anterior, la asimetría ocurre un 42±16 %, cuando el modelo estándar predice solo un 5%. ¿Hay una física más allá del modelo estándar en estos resultados? Quizás sí, quizás no. Habrá que esperar hasta las conferencias del verano de 2011 para tener más información al respecto. Aún así es interesante saber que el Tevatrón sigue “alive and kicking.” Y por cierto, este efecto es imposible de observar en el LHC del CERN donde se usan colisiones protón-protón. Nos lo han contado Jester, “CDF: curiouser and curiouser,” Résonaances, 5 March 2011, y Lubos Motl, “CDF: a new confirmation of top quark pair asymmetry,” The Reference Frame, March 05, 2011. El artículo técnico es Yuji Takeuchi et al., “Measurement of the Forward Backward Asymmetry in Top Pair Production in the Dilepton Decay Channel using 5.1 fb-1,” Conference Note, March 1, 2011.

PS (7 mar. 2011): La asimetría forward-backward en la producción de pares de quarks no se observa sólo en los colisionadores de hadrones como Tevatrón, también se observó en las colisiones entre leptones en el LEP II del CERN (colisiones electrón-positrón), como nos recuerdan G. Kirilin y K. Hagiwara en “QCD corrections to the forward-backward asymmetry in e+e annihilation in the two-jet region,” Soft Collinear Effective Theory Workshop 2011 (SCET 2011), Carnegie Mellon University, 6 March, 2011. La desviación respecto al modelo estándar observada por LEP fue de 3’2 sigma. Lo más interesante de esta asimetría es que si se utiliza el valor experimental de Afb según LEP y el Tevatrón, en lugar del valor teórico según el modelo estándar, resulta que las estimaciones teóricas de la masa del bosón de Higgs pasan de estar en el intervalo [43, 130] GeV/c² (para el modelo estándar sin modificar) a estar en [80, 203] GeV/c². Como LEP II restringió la masa del bosón de Higgs a un valor mayor de 114 GeV/c², los límites teóricos del ElectroWeak Working Group con el valor experimental para el parámetro Afb son más “razonables” y apuntan a que la observación del Tevatrón es algo más que “anuncio desesperado” ante una muerte inminente.

Por qué el espaciotiempo tiene cuatro dimensiones y las estructuras diferenciables exóticas

En topología diferencial se descubrió que el espacio cuatridimensional euclídeo admite estructuras diferenciables exóticas que no son equivalentes a la convencional; se sabe que existen las exóticas pero su descripción explícita en coordenadas es muy complicada, salvo bajo ciertas restricciones. Hay un número infinito no numerable de estructuras diferenciables en R4, pero sólo existe una en Rn, para n≠4. Esta propiedad de un universo con cuatro dimensiones lo distingue de un universo con cualquier otro número de dimensiones posibles. Por ello, algunos físicos han tratado de utilizar las estructuras diferenciables exóticas en física como una manera de “elegir” un espaciotiempo de cuatro dimensiones entre todos los posibles. Las supercuerdas en la teoría de cuerdas se mueven en un espaciotiempo plano (de Minkowski) de 10 D (9 dimensiones espaciales y una temporal), sea M10. En un espaciotiempo plano 4D (sea M4), como en el que vivimos, la versión cuántica de la teoría presenta inconsistencias (probabilidades negativas y violaciones de la invarianza relativista). ¿Por qué solo observamos 4 dimensiones? Afirmar que las otras 6 dimensiones extra son muy pequeñas y compactas no nos explica el porqué; lo habitual es descomponer M10 = M4 × V6, donde V6 es una variedad de Calabi-Yau. Pero ¿es la única opción posible? Asselmeyer-Maluga y Krol nos proponen descomponer M10 = R4 × W6, donde R4 es una versión exótica del espaciotiempo plano euclidiano y W6 no tiene por qué ser de Calabi-Yau. Este “exotismo” es una idea realmente sugerente que todavía está en fase germinal pero que parece que capta adeptos en el contexto de la teoría de cuerdas. En mi opinión, este asunto dará bastante que hablar en los próximos años, opinión que comparto con Javier, “String theory in exotic R^4,” DiY quantum gravity, February 17, 2011; Lubos Motl también se ha hecho eco de ellos en “Are pathological mathematical structures important in physics?,” The Reference Frame, February 17, 2011. Los artículos técnicos son Torsten Asselmeyer-Maluga, Jerzy Krol, “Exotic smooth R^4, geometry of string backgrounds and quantum D-branes,” ArXiv, 14 Jun 2010; “Exotic smooth R^4 and certain configurations of NS and D branes in string theory,” ArXiv, 17 Jan 2011; y “Quantum D-branes and exotic smooth R^4,” ArXiv, 16 Feb 2011.

Os recuerdo, aunque estos temas no son fáciles de explicar. Una estructura diferenciable exótica en una variedad topológica es una que no es difeomorfa (equivalente) a la estructura diferenciable natural o estándar en dicha variedad. Milnor (1956) encontró los primeros ejemplos en las esferas S7 (de 7 dimensiones); una esfera (no exótica) S7 hereda su estructura diferenciable natural del espacio euclídeo R8 (de 8 dimensiones) en el que reside y las esferas exóticas tienen una que no es equivalente a esta última  (en este blog puedes leer “Esferas exóticas, el invariante de Arf-Kervaire y la hipótesis del día del juicio final“). Edward Witten, como no, fue el primer físico en utilizar las esferas exóticas en física, en 1985, aunque su uso más famoso es en su artículo de 1988 sobre la teoría topológica de campos cuánticos (topological quantum field theory). Desde entonces muchos otros físicos las han utilizado, incluso en teoría de cuerdas, pero el gran objetivo sigue aún lejano. En este sentido estos nuevos trabajos de Asselmeyer-Maluga y Krol me parece que renuevan el interés en estos asuntos (aunque yo no soy capaz de entender los detalles técnicos).