Física de sabores

21/12/2012 6 comentarios
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Como se ha venido anunciando recientemente, haber encontrado el bosón de Higgs marca un hito en la historia de la Física de Partículas. Esto no es sólo porque el Higgs sea la última pieza del Modelo Estándar de la Física de Partículas que quedaba por descubrir, sino también por su papel central en el mecanismo por el cual las partículas elementales adquieren su masa. Sin el Higgs las partículas no pesarían, y no se podrían explicar numerosos fenómenos de la Naturaleza.

Ahora bien, pese a la gran importancia de este descubrimiento, haber encontrado el Higgs no implica que se ha entendido todo con respecto al Modelo Estándar. Se sabe experimentalmente que el quark más masivo, el quark top, es unas 70.000 veces más pesado que el más ligero, el quark up. El origen de esta gran diferencia constituye uno de los misterios del Modelo Estándar que aún no se han sabido resolver. La parte de la Física de Partículas que trata de entender éste y otros misterios parecidos es conocida como Física de Sabores.

Cuando uno escucha por primera vez que la física de sabores (flavor physics, en inglés) es una parte de la Física de Partículas no es raro que surja cierta confusión. Por ejemplo, es habitual decir que los quarks tienen distintos sabores, a pesar de que estemos hablando de partículas subatómicas y no de cosas que nos llevamos a la boca. Cuando hablamos del sabor que tiene una partícula estamos haciendo un símil con nuestras experiencias en la vida cotidiana.

Supongamos que ponen ante nosotros dos caramelos que tienen el mismo tamaño, forma y color, igual tacto y no huelen a nada. En un principio diríamos que son dos caramelos idénticos. Sin embargo, cuando los metemos en la boca descubrimos que en realidad no son iguales: sus sabores son completamente diferentes. Habíamos pensado que eran objetos idénticos porque los habíamos analizado con los sentidos de la vista, tacto y olfato, mientras que habíamos dejado al sentido del gusto para el final.

El concepto de sabor en Física de Partículas va un poco en la línea de esta anécdota. Las partículas elementales tienen algunas propiedades que son muy directas de analizar, pero otras que lo son menos. De esta manera, al igual que con los caramelos de antes podemos pensar que dos partículas son idénticas cuando en realidad no lo son: es ahí cuando se dice que tienen distinto sabor.

Para ilustrar esto de forma más precisa volvamos al ejemplo de los quarks top y up que mencionábamos mas arriba. Si no fuera por su masa, serían partículas idénticas: tienen las mismas cargas eléctrica, nuclear fuerte y nuclear débil y tienen el mismo espín (ver post "Jerarquía y Supersimetría" en este mismo blog). Además el mecanismo que les da masa a ambos es el mismo: el mecanismo de Higgs. Sin embargo por algún motivo el bosón de Higgs ve distintas a ambas partículas y esto resulta en que una pese mucho más que la otra. En la jerga de físicos de partículas se dice que esto es así porque el top y el up tienen distintos sabores, y el Higgs distingue entre ambos. En general llamamos física de sabores a todos aquellos fenómenos que distinguen entre partículas que son "muy parecidas". El conjunto de todos estos fenómenos que distinguen el sabor describe en gran medida la complejidad que posee el Modelo Estándar de Partículas como teoría.

Para explicar de forma más precisa a que nos referimos con partículas "muy parecidas" es necesario describir el Modelo Estándar en un poco más de detalle. En particular debemos describir el papel que juegan en él los diferentes tipos de partículas elementales que se observan en la Naturaleza: los bosones gauge (espín 1), los fermiones (espín 1/2) y el bosón de Higgs (espín 0). Toda la materia y la radiación que encontramos en el Universo se constituye a partir de estos tres tipos de partículas.

Los bosones gauge son los responsables de las tres interacciones o fuerzas fundamentales que describe el Modelo Estándar: la interacción electromagnética, débil y fuerte. Así por ejemplo, el fotón es la partícula o cuanto fundamental del campo electromagnético. En cierta medida, podemos pensar que dos partículas con carga eléctrica se atraen o se repelen (dependiendo del signo relativo de sus cargas) gracias al intercambio de fotones entre ambas. Las propiedades de los bosones gauge, tales como su número, su carga o sus interacciones, quedan poderosamente descritas mediante teorías cuánticas de campos. El paradigma central de las teorías cuánticas de campos es el concepto de simetría gauge. Sin entrar en tecnicismos, la simetría gauge de un campo corresponde al conjunto de transformaciones que podemos aplicar al campo sin que cambie la física. Una vez especificamos el grupo de simetría de un campo, los postulados de la teoría cuántica de campos determinan de forma unívoca el número de bosones gauge, su carga y las interacciones asociadas al campo. En el anterior ejemplo de la interacción electromagnética, la Electrodinámica Cuántica, por la cual S. Tomonaga, J. Schwinger and R. Feynmen recibieron el Premio Nobel en 1965, describe con absoluta precisión los procesos físicos asociados al campo electromagnético a partir del grupo de simetría U(1). En este lenguaje, el Modelo Estándar de Partículas se entiende como una teoría cuántica de campos basada en una simetría SU(3) x SU(2) x U(1). Es esta simetría y no otra la que describe correctamente las interacciones electromagnética, débil y fuerte.

El poder de las teorías cuánticas de campos tiene sin embargo también limitaciones. Si bien la simetría gauge de una teoría cuántica de campos determina el contenido y propiedades de los bosones gauge, apenas nos dice nada sobre el número y propiedades de los fermiones de la teoría. Lo que sí sabemos es que estos fermiones pueden ser sensibles a las simetrías gauge de la teoría. Por ejemplo, en el caso del electromagnetismo un fermión es más o menos sensible en función de su carga eléctrica, y como el quark top y quark up tienen la misma carga eléctrica, son partículas idénticas para un fotón. De hecho, estos dos quarks son idénticos para todos los bosones e interacciones gauge del Modelo Estándar y además hay un tercero, el quark charm, que también lo es. Decimos pues que estos tres quarks son idénticos desde el punto de vista de las interacciones gauge, que en la analogía de los caramelos corresponden a los sentidos de la vista, tacto, oído y olfato. Aún así son partículas distintas (con distinto sabor), lo que eventualmente las lleva a que las tres tengan masas muy distintas.

El ejemplo de estos tres quarks no es el único que se encuentra en el Modelo Estándar. Además del electrón, cuya masa es 0.5 MeV existen otros dos fermiones más pesados con exactamente la misma carga eléctrica e interacciones gauge que el electrón. Estos son el muón, con una masa de 105 MeV, y el tau, con una masa de 1777 MeV. En general, por cada fermión del Modelo Estándar hay otros dos con exactamente las mismas interacciones gauge. Esto se resume diciendo que existen tres familias o generaciones de fermiones en el Modelo Estándar. El contenido de fermiones y bosones gauge del modelo Estándar puede resumirse en la siguiente figura (cortesía de Wikipedia):

 

Como hemos dicho, el Higgs se acopla a cada partícula de una manera distinta dependiendo de su sabor. Esto en sí no es ningún misterio y es una libertad que permite el Modelo Estándar como teoría cuántica de campos con simetría gauge SU(3) x SU(2) x U(1) y el contenido de fermiones de la figura de arriba. Cada uno de los acoplos es un parámetro del Modelo Estándar, que en un principio sólo podemos determinar mediante experimentos. El misterio es por qué estos parámetros valen lo que valen, tomando valores tan dispares que dan lugar a masas tan distintas. Es importante resaltar que de los 26 parámetros que permite el Modelo Estándar, 20 corresponden a la estructura de sabor del sector fermiónico. De estos últimos, 12 corresponden a las masas de los fermiones y 8 a términos de mezcla entre sabores. Concretamente, la estructura de mezcla de sabores del sector fermiónico está parametrizada en términos de dos matrices unitarias de tres filas por tres columnas: la matriz de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), que especifica la estructura de sabor de los quarks, y las matriz de Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS), que especifica la estructura de sabor de los leptones. A lo largo de las últimas décadas diferentes experimentos en aceleradores han permitido medir con gran precisión los parámetros de la matriz CKM, resultando ser prácticamente diagonal. Por otro lado, la matriz PMNS resulta mucho más complicada de medir experimentalmente, pues requiere medir con gran precisión procesos físicos que involucran a los elusivos neutrinos. Pese a ello, en los últimos años, experimentos que miden oscilaciones de neutrinos han mostrado que la estructura de la matriz PMNS es muy diferente a la de la matriz CKM.

A un nivel más general, la física de sabores estudia todos los procesos físicos que involucran cambios de sabor en las partículas. Una de las peculiaridades de la física de sabores es que algunos de estos procesos, en los que bosones gauge sin carga producen un cambio en el sabor de las particulas, son extremadamente raros. Estos procesos se conocen como Flavor Changing Neutral Currents (FCNCs). Un ejemplo de FCNCs es la desintegración de un tau en un electrón y un fotón. Experimentalmente sabemos que menos del 0.00000003% de los taus que se desintegran lo hacen de este modo. En el Modelo Estándar los fenómenos que involucran FCNCs ocurren sólo a través de correcciones cuánticas y, además, a primer orden están muy suprimidos debido al llamado mecanismo de Glashow-Iliopoulos-Maiani. Al estar tan suprimidos en el Modelo Estándar, los fenómenos que involucran FCNCs a menudo se consideran una posible ventana para la detección de nueva física más allá del Modelo Estándar, ya que diferentes extensiones del Modelo Estándar, tales como supersimetría (veánse posts "Jerarquía y Supersimetría" y "Supersimetría y fenomenología" en este mismo blog), predicen una mayor frecuencia de procesos que involucran FCNCs.

La física de sabores es un tema de mucha actualidad en Física de Altas Energías porque contiene la mayor parte de las preguntas que están abiertas en el Modelo Estándar: ¿por qué existen tres familias de fermiones en la Naturaleza? ¿Cuál es el origen de las matrices CKM y PMNS y por qué son tan distintas? ¿Por qué existe una jerarquía de hasta 5 ordenes de magnitud entre las masas de fermiones de diferentes sabores? Como iremos desgranando en futuros posts, gran parte del trabajo que se realiza hoy en día en Física Teórica de Partículas consiste en intentar dar respuesta a estas preguntas.