Miden el valor exacto de la 'carga débil' del protón
Por primera vez en la historia, un experimento ha proporcionado una medición precisa de la llamada fuerza nuclear débil.
El valor 0.0719 no significará mucho para la mayoría de nosotros, pero la forma en que han resuelto esta medición abre la ventana para algunas posibilidades más que interesantes para llevar la física más allá del alcance del Modelo Estándar.
En un esfuerzo internacional entre científicos bautizado como Jefferson Lab Q-weak Collaboration, un equipo de físicos ha aprovechado un extraño capricho de la física de partículas para obtener una medida sólida de una de las fuerzas fundamentales más débiles de la naturaleza.
Las interacciones entre partículas se presentan en cuatro categorías, que también pueden combinarse a energías suficientemente altas: fuerzas nucleares, fuerzas electromagnéticas, fuerzas débiles y fuerzas de gravedad.
La gravedad es lo primero que nos viene a la mente. También es la más débil.
La otra fuerza con la que estamos familiarizados es el electromagnetismo, que ve cómo las cargas opuestas de protones y electrones se atraen a través de la mediación de partículas de luz, llamadas fotones.
Luego está la fuerza nuclear fuerte, que actúa sobre pequeñas distancias para unir partículas llamadas quarks en protones y neutrones a través del paso de una partícula llamada gluón.
Por último, existe una extraña y pequeña fuerza nuclear "débil" (o interacción débil) que transforma los neutrones en protones.
Aunque ni remotamente tan débil como la gravedad, la interacción nuclear débil representa solo una fracción del tirón entre las cargas de un protón y de un electrón.
"Medir este efecto ha resultado difícil porque la fuerza débil es mucho más débil que la electromagnética", comenta Ross Young, de la Universidad de Adelaida en el estudio que recoge la revista Nature.
La clave aquí fue aprovechar un extraño descubrimiento realizado en la década de 1950.
La mayoría de los elementos en física sigue algún tipo de regla de equilibrio o simetría. En la carga, esto significaría que si intercambiamos de repente todos los aspectos positivos y negativos, todo se vería más o menos igual.
Del mismo modo, si rebobinas el tiempo, no hay ninguna indicación de que alguna vez pudiéramos notarlo.
El espacio es un poco más extraño. Si le damos la vuelta a todo en un espejo universal gigante, la mayoría de las cosas no cambiarían.
La fuerza nuclear débil proporciona la única excepción importante. Existe un sesgo inherente a la izquierda y a la derecha en la descomposición de las partículas involucradas con esta fuerza, que notaríamos si el universo se girara por completo. Esta violación de lo que llamamos la simetría de la paridad forma la base de este experimento sobre la fuerza débil.
Girar los electrones en una de dos direcciones y arrojarlos a los protones hace que reboten de forma precisa, dependiendo de la dirección, o "helicidad", de su giro.
"La diferencia entre las dos configuraciones de helicidad asciende a menos de 300 por cada mil millones de electrones dispersos", dice Young. "Al medir esta pequeña diferencia con mucha precisión, hemos sido capaces de determinar la carga débil del protón".
Los resultados del experimento coinciden con lo que se esperaría según la imagen actual de física de partículas, el Modelo estándar.
"Si la medición se hubiera desviado de la predicción, sería una fuerte firma para un nuevo tipo de fuerza todavía desconocida que actúa entre partículas fundamentales", aclara Young.
A pesar de lo sólido que es el Modelo Estándar, todavía hay muchas lagunas donde la naturaleza de los fenómenos como la energía oscura y la teoría de la gravedad cuántica aún permanecen envueltas en un enigma. Solo necesitamos la forma correcta de analizar estas propiedades apenas perceptibles de nuestro universo para dar con la clave.
Referencia: Precision measurement of the weak charge of the proton, Nature (2018). The Jefferson Lab Qweak Collaboration DOI: 10.1038/s41586-018-0096-0