Definen la masa de los quark extraños

Una colaboración de físicos de partículas en Europa y América del Norte ha calculado la masa de los quarks extraños con una precisión mejor que 2 %, superando los resultados previos en un factor de 10.


El resultado ayudará a los científicos experimentales a examinar el Modelo Estándar de la física de partículas en los aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN y el Tevatron del Fermilab.

Los quarks son las partículas elementales que poseen propiedades familiares, como masa y carga, pero nunca existen como partículas libres. En cambio, se unen por la fuerza fuerte en estados ligados llamados hadrones, entre los que están el protón y el neutrón. Los teóricos predicen que una gran parte de la masa de los hadrones se explica por la fuerza fuerte, mediada por unas partículas llamadas gluones. La exacta naturaleza de estas interacciones aún es poco conocida.

Colores de quark

Para determinar la masa de quarks individuales, por lo tanto, los teóricos han de combinar las mediciones experimentales de los hadrones con cálculos basados en la cromodinámica cuántica (CDC, QCD en inglés), la teoría de la fuerza fuerte. Los refinamientos de esta teoría en los últimos años han permitido que los experimentadores calculen la masa de los tres quarks más pesados —cima (top), fondo (bottom) y encantado (charm)— con una precisión del 1%. Lamentablemente, sin embargo, ha sido mucho más difícil hacer predicciones precisas sobre la masa de los tres quarks más ligeros —arriba (up), abajo (down) y extraño (strange)— y las tablas de referencia todavía tienen errores de hasta un 30%.

Christine Davies de la Universidad de Glasgow y sus colegas en la colaboración High Precision QCD han producido finalmente una cifra exacta de la masa del quark extraño, adoptando un diferente enfoque matemático. Han utilizado una técnica conocida como “CDC de red” (Lattice QCD), en la cual los quarks se definen como los puntos de una red y su interacción a través de los gluones son representados en los enlaces de conexión.

La CDC de red, que requiere el uso de superordenadores de gran alcance, permitió a los investigadores medir la relación del quark encanto con el quark extraño con una precisión del 1%. Como la masa del quark encanto está bien definida, Davies calcula que el quark extraño tiene una masa de 92,4 MeV/c2 más o menos 2,5 MeV/c2.

La precisión del programa

Este resultado es parte de un programa de cálculos de precisión en CDC de red que ayudará a los experimentadores en los aceleradores como el LHC para dar sentido a las colisiones que observan. Éstas son de particular interés para los investigadores del experimento LHCb que, mediante el estudio de los mesones formados de quarks abajo, tratan de entender si la física actual puede describir cómo se desarrolló nuestro universo.

De hecho, muchos físicos de partículas creen que una vez que el LHC aumente su energía a 14 TeV estará en condiciones de confirmar o destruir el modelo estándar de física de partículas.

“Todo esto es parte de precisar el Modelo Estándar y preguntarse qué puede decirnos la naturaleza sobre la diferencia entre materia y antimateria”, dice Christine Davies. A corto plazo, el equipo de alta precisión de la CDC tiene la intención de desarrollar su investigación utilizando el mismo método para los quarks abajo, para obtener resultados precisos de su masa y la velocidad de desintegración de sus hadrones, algo que se necesita en el LHCb.

David Evans, investigador de la Universidad de Birmingham y miembro del experimento ALICE del CERN, dice que es importante saber las masas de los quarks para el desarrollo de una nueva física. “Si usted quiere predecir nuevas partículas en estados de mayor energía, es muy importante conocer la masa de sus partes constitutivas”, dice. “Hasta donde yo sé, este es el único grupo que precisa la masa de los quarks livianos con una precisión tan alta”.

Esta investigación se publica en Physical Review Letters.

Fuente: Physics World.