Hace treinta años, los físicos de partículas quedaron encantados al descubrir la familia “bottomonium” — un conjunto de partículas que contenían tanto un quark bottom como un quark anti-bottom ambos ligados con distintas energías.
Desde entonces, los investigadores han buscado establecer el menor valor de energía de estas diminutas pero importantes partículas. Ahora, por primera vez, colaboradores del experimento BaBar en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) han detectado y medido la partícula de menor energía de la familia del bottomonium, llamada ηb (pronunciado eta-sub-b).
Colaboradores de BaBar Chris West, Peter Kim, Silke Nelson, Veronique Ziegler y Philippe Grenier.
“Encarados con el final de su ejecución, la colaboración BaBar decidió centrar el tiempo de investigación restante en investigar algunos de los estados del bottomonium”, dijo el Director Asociado del la Oficina Científica del DOE para Física de Alta Energía, Dennis Kovar. “Este apasionante resultado logra uno de los objetivos principales de esta colección final de datos”.
El Director del SLAC, Persis Drell, añade: “Este es un tremendo logro tanto para el acelerador PEP-II como para la colaboración BaBar. Felicidades a todos los implicados”.
Cada sistema de materia contiene un “estado base” — un nivel de energía mínimo al cual trata de llegar el sistema, desprendiendo energía conforme lo hace. El estado base proporciona una línea base a partir de la cual medir el resto de estados más energéticos de la partícula, y es clave para comprender las leyes fundamentales que gobiernan cómo interactúan y se comportan los quarks.
Cuando un quark bottom y un quark anti-bottom se unen mediante la fuerza nuclear fuerte, forman un “átomo” quark — muy similar a cuando se unen un electrón y un protón bajo la fuerza electromagnética para crear un átomo de hidrógeno. Este “átomo” quark, el ηb, puede ser excitado a varios estados de energía superiores, a partir del primer estado excitado (llamado “Epsilon(1S)”) y para los estados mayores (”Epsilon(2S),” “Epsilon(3S)” etc).
Para determinar el estado base, la colaboración BaBar recopiló datos en los que la colisión de un electrón y un positrón crearon un par vinculado de un quark bottom y un quark anti-bottom en the el estado Epsilon(3S) que a su vez decayó emitiendo rayos gamma dejando el estado base ηb, que a su vez decayó en más partículas. Como esta secuencia tuvo lugar sólo una vez de cada dos o tres mil decaimientos Epsilon (3S) en el detector BaBar, la colaboración necesitó recolectar más de 200 millones de colisiones en los que se creó el estado Epsilon(3S) para asegurar una medida precisa de ηb.
“Esta observación tan significativa fue posible por la tremenda luminosidad del acelerador PEP-II y la gran precisión del detector BaBar, el cual estaba perfectamente calibrado a lo largo de los más de ocho años de operación del experimento BaBar”, dijo el portavoz de BaBar Hassan Jawahery, profesor de física en la Universidad de Maryland. “Estos resultados se han buscado con tesón a lo largo de más de 30 años y tendrán un impacto importante en nuestra comprensión de las interacciones fuertes”.
Para hacer la observación incluso más compleja, los experimentadores tuvieron que luchar contra los altísimos niveles de ruido de fondo. Parte de éste es debido a otros procesos de decaimiento que implican el estado Epsilon(1S), el cual tiene una energía similar y necesitar ser aislado de la señal para detectar el ηb.
El movimiento del quark botton y anti-bottom dentro de ηb es ligeramente distinto al de Epsilon(1S) — debido al papel del espín en las interacciones entre quarks — y esto introduce una ligerísima diferencia en la energía entre las partículas. Esta ligera división — conocida como “división hiperfina” — entre Epsilon(1S) y ηb se han visto anteriormente en otros sistemas, incluyendo el sistema de quark charm, pero esta es la primera vez que se ha observado en el sistema de quark bottom. La división hiperfina es tan pequeña que los experimentadores tuvieron que ir hasta distancias extraordinarias para descubrir definitivamente el ηb.
“Debido a que el quark bottom es más pesado que el quark charm, ofrece a los físicos teóricos una potente herramienta para comprender el fenómeno”, dijo el Coordinador de Análisis Físico de BaBar, Soeren Prell, profesor de física en la Universidad Estatal de Iowa. Paradójicamente, las medidas de los quarks más pesados (el bottom es el segundo en peso, sólo detrás del quark top), aunque más difíciles de observar, dan algunas de las medidas más precisas de las propiedades fundamentales de la fuerza fuerte.
La colaboración BaBar espera publicar más resultados de su más reciente colección de datos a lo largo de los próximos meses.
La pre-impresión está disponible on-line en http://arxiv.org/abs/0807.1086
Aproximadamente 500 científicos e ingenieros de 74 instituciones de Canadá, Francia, Alemania, Italia, Países Bajos, Noruega, Rusia, España, Reino Unidos y los Estados Unidos trabajan en BaBar. SLAC está patrocinado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos.
Autor: Melinda Lee
Fecha Original: 9 de julio de 2008
Enlace OriginalVía: Ciencia Kanija
Imagen actualizada por la USNO
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