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Un experimento innovador en física ha proporcionado por primera vez una medida exacta de una fuerza entre los electrones y los protones llamados la fuerza nuclear débil. El valor 0,0719 (dar o tomar 0,0045) no significa mucho para la mayoría de nosotros, pero la forma en que lo hicieron da paso a algunas posibilidades emocionantes para empujar la física más allá del alcance del modelo estándar.
En un esfuerzo internacional entre los científicos llamados la colaboración Q-débil del laboratorio de Jefferson, los físicos tomaron ventaja de una extraña peculiaridad de la física de partículas para obtener una medida sólida en una de las más débiles de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las interacciones entre las partículas vienen en cuatro categorías, que pueden también combinar juntas en energías bastante altas.
La gravedad podría ser la que se le viene a la mente primero, manteniendo nuestras tazas de café de la deriva hacia el techo. También es el más débil, exigiendo trozos de materia prácticamente del tamaño de un planeta antes de que personalmente prestemos mucha atención a sus efectos. La otra fuerza con la que estamos bien familiarizados es el electromagnetismo, que ve que las cargas opuestas de protones y electrones atraen a través de la mediación de partículas ligeras, llamadas fotones. Luego está la fuerza nuclear fuerte, actuando sobre pequeñas distancias para unir partículas llamadas quarks en protones y neutrones a través del paso de una partícula llamada gluon.
Por último hay una extraña fuerza "nuclear débil" que transforma los neutrones en protones (con un electrón y un antineutrino electrón para el cambio de repuesto). Aunque en ningún lugar tan débil como la gravedad, la interacción nuclear débil representa sólo una fracción de la atracción entre los cargos de un protón y el electrón.
"la medición de este efecto ha demostrado ser difícil porque la fuerza débil es mucho más débil que la electromagnética", dice Ross Young, de la Universidad de Adelaida.
El truco era tomar ventaja de un descubrimiento extraño hecho en los años 50. La mayoría de las cosas en la física siguen algún tipo de regla de equilibrio o simetría, donde intercambiar ciertas características del universo haría la diferencia cero. Para el cargo, esto significaría que si de repente cambiamos todos los aspectos positivos y negativos todo se vería prácticamente igual.
De la misma manera, si Rebobinamos el tiempo, no hay indicios de que alguna vez lo notemos. El espacio es un poco más raro. Si volteamos las posiciones de todo en un espejo universal gigante, la mayoría de las cosas no cambiarían. La fuerza nuclear débil proporciona una excepción importante. Hay un sesgo inherente a la izquierda y la derecha en la ruptura de las partículas involucradas con esta fuerza, que nos daríamos cuenta si el universo fue todo patas arriba.
Esta violación de lo que llamamos la simetría de la paridad constituye la base de este experimento sobre la fuerza débil. Girar electrones en una de dos direcciones y lanzarlas a protones hace que reboten de manera precisa, dependiendo de la dirección, o "helicidad", de su spin.
"la diferencia entre las dos configuraciones de helicidad asciende a menos de 300 por cada mil millones de electrones dispersos", dice Young. "midiendo esta pequeña diferencia muy precisamente, hemos sido capaces de determinar la carga débil del protón."
Los resultados del experimento caen en consonancia con lo que se esperaría basándose en la imagen actual de todas las cosas física de partículas, el modelo estándar. Así que el descubrimiento en sí no es enorme.
"si la medida se hubiera desviado de la predicción, sería una firma fuerte para un nuevo tipo de fuerza aún desconocida que está actuando entre partículas fundamentales", dice Young.
Tan sólido como el modelo estándar es, todavía hay un montón de brechas donde la naturaleza de los fenómenos como la energía oscura y una teoría cuántica amigable de la gravedad aún no se han revelado. Sólo necesitamos la manera correcta de analizar estas propiedades apenas perceptibles de nuestro universo. Tener una manera probada de sondear las interacciones que normalmente se ocultarían en el zumbido de fuerzas más fuertes ofrece a físicos una herramienta brillante, y valiosa, nueva en su caja de trucos analíticos.
Esta investigación fue publicada en Nature.
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