Se Mide por Primera Vez la Carga Débil del Protón

Por: Dra. Amira Val Baker, Astrofísica, investigadora de Resonance Science Foundation

La carga -es decir, el grado en que una entidad se ve afectada por una fuerza externa- tiene todas las formas y tamaños. Ahora, por primera vez, los científicos han podido determinar la carga débil del protón.

La fuerza débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y es importante en la radiactividad - la emisión espontánea de energía y/o partículas subatómicas- es decir, un núcleo inestable se descompone espontáneamente (decae) en una configuración más estable. Hay que tener en cuenta que esto se hace emitiendo partículas específicas y/o cantidades/formas específicas de energía. Por ejemplo, la desintegración beta radiactiva transforma un neutrón en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico.

El modelo estándar describe estas fuerzas en términos de intercambio de portadores de fuerza virtuales. En este modelo se piensa que la fuerza débil interactúa a través del intercambio de las partículas portadoras masivas (~ 100 x la masa de un protón) conocidas como partículas W y Z. Al contrario de lo que ocurre con la gravedad y el electromagnetismo, donde la fuerza gravitatoria es más fuerte para los objetos más masivos y la fuerza electromagnética es más fuerte con más carga, ¡la fuerza débil es más fuerte cuanto más débil es la carga!

En un intento por comprender y explicar mejor la energía oscura, la materia oscura, la gravedad y la simetría materia-antimateria en el universo, la búsqueda de una física más allá del modelo estándar se ha realizado principalmente mediante aceleradores para tratar de producir directamente partículas teóricas. Sin embargo, las búsquedas indirectas, que utilizan mediciones precisas de observables del modelo estándar bien predichos, permiten realizar mejores pruebas, ya que pueden alcanzar las escalas de masa y energía más allá de las de los aceleradores. Este tipo de búsqueda indirecta pretende determinar la carga débil del protón, que define la fuerza de la interacción del protón con otras partículas a través de la fuerza electrodébil. Un equipo de investigadores de la Instalación Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson del Departamento de Energía (Jefferson Lab) acaba de lograr con éxito esas mediciones precisas indirectas. Para ello, han utilizado los conocidos efectos de violación de la paridad que presenta la fuerza débil. La simetría de paridad -invarianza de la inversión espacial-, aunque se conserva en el electromagnetismo, en las interacciones fuertes y la gravedad, se viola en las interacciones débiles. Lo que esto significa físicamente es que el espín de una partícula tendrá efectos diferentes en la interacción de la fuerza débil.

El experimento funciona bombardeando el protón con electrones acelerados. El espín de los electrones se alineará con la dirección de propagación o en contra de ella, lo que no afecta a la fuerza electromagnética, pero sí a la fuerza débil. Así, la carga débil se calculó midiendo la variación de la tasa de dispersión entre los electrones de espín opuesto, donde se encontró un valor, de 0,0719 ± 0,0045, consistente con las predicciones teóricas.

Esto tiene enormes implicaciones, no sólo para las pruebas del modelo estándar, sino también un medio para probar la física más allá del modelo estándar. Por supuesto, en el enfoque de la física unificada, que se está haciendo cada vez más popular con el trabajo de Verlinde, las fuerzas se consideran propiedades emergentes más que fundamentales. Estos nuevos resultados servirán de base para desarrollar nuevas teorías de física unificada que incorporen la fuerza débil.

Artículo: https://www.jlab.org/news/releases/protons-weak-charge-determined-first-time