Físicos de Oxford han demostrado en una medición extraordinariamente precisa que una partícula subatómica puede mutar a su alter ego de antipartícula y viceversa.

El experimento llevado a cabo en la colaboración LHCb (Large Hadron Collider beauty) en el CERN, ha proporcionado la primera evidencia de que los denominados ‘mesones encantados‘ pueden transformarse en su antipartícula y viceversa.

Durante más de 10 años, los científicos han sabido que los mesones encantados, partículas subatómicas que contienen un quark y un antiquark, pueden viajar como una mezcla de sus estados de partículas y antipartículas. Es un fenómeno llamado mezcla.

Sin embargo, este nuevo resultado —remitido a Physical Review Letters y disponible en arXiv-– muestra por primera vez que pueden oscilar entre los dos estados.

Armados con esta nueva evidencia, los científicos pueden intentar abordar algunas de las preguntas más importantes de la física sobre cómo se comportan las partículas fuera del Modelo Estándar. Una es si estas transiciones son causadas por partículas desconocidas no predichas por la teoría rectora.

En el extraño mundo de la física cuántica, el mesón encantado puede ser él mismo y su antipartícula a la vez. Este estado, conocido como superposición cuántica, da como resultado dos partículas, cada una con su propia masa, una versión más pesada y más ligera de la partícula. Esta superposición permite que el mesón encantado oscile hacia su antipartícula y viceversa.

Utilizando los datos recopilados durante la segunda ejecución del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), los investigadores de la Universidad de Oxford midieron una diferencia de masa entre las dos partículas de 0.00000000000000000000000000000000000001 gramos, o en la notación científica 1×10-38g.

Una medición de esta precisión y certeza solo es posible cuando el fenómeno se observa muchas veces. Esto solo es posible debido a que se producen muchos mesones encantadores en las colisiones del LHC.

Como la medición es extremadamente precisa, el equipo de investigación se aseguró de que el método de análisis lo fuera aún más. Para ello utilizó una técnica novedosa desarrollada originalmente por colegas de la Universidad de Warwick.

Solo hay cuatro tipos de partículas en el Modelo Estándar, la teoría que explica la física de partículas, que pueden convertirse en su antipartícula.

El fenómeno de mezcla se observó por primera vez en los mesones extraños en la década de 1960 y en los mesones encantados en la década de 1980.

Hasta ahora, la única otra de las cuatro partículas que se ha visto oscilar de esta manera es el denominado mesón de extraña belleza, una medida realizada en 2006.

El profesor Guy Wilkinson de la Universidad de Oxford, cuyo grupo contribuyó al análisis, dijo en un comunicado: “Lo que hace que este descubrimiento de la oscilación en la partícula del mesón encantado sea tan impresionante es que, a diferencia de los mesones de belleza, la oscilación es muy lenta y, por lo tanto, extremadamente difícil de medir dentro del tiempo que tarda el mesón en descomponerse. Este resultado muestra que las oscilaciones son tan lento que la gran mayoría de las partículas se descompondrán antes de que tengan la oportunidad de oscilar. Sin embargo, podemos confirmar esto como un descubrimiento porque el LHCb ha recopilado muchos datos “.

El profesor Tim Gershon de la Universidad de Warwick, desarrollador de la técnica analítica utilizada para realizar la medición, dijo: “Las partículas de mesón encanto se producen en colisiones protón-protón y viajan en promedio solo unos pocos milímetros antes de transformarse o descomponerse en otras partículas. Al comparar las partículas del mesón encantado que se descomponen después de viajar una distancia corta con las que viajan un poco más lejos, hemos podido medir la cantidad clave que controla la velocidad de oscilación del mesón encantado en el mesón anti-encantado: la diferencia de masa entre las versiones más pesadas y ligeras de mesón encantado“.

Los investigadores ahora quieren comprender el proceso de oscilación en sí, potencialmente un gran paso adelante para resolver el misterio de la asimetría materia-antimateria.

Un área clave para explorar es si la tasa de transiciones partícula-antipartícula es la misma que la de las transiciones antipartícula-partícula. Y específicamente, si las transiciones están influenciadas o causadas por partículas desconocidas no predichas por el Modelo Estándar.