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Importante aproximación al misterio de la materia oscura

El bosón que confirmaría su existencia está al alcance de la mano


Los científicos están acorralando en el colisionador SuperKEKB a la primera partícula que confirmaría la existencia de la materia oscura: el hipotético bosón Z’. Pronto desvelaremos el misterio.



Imagen generada por ordenador de un evento simulado en el cual un bosón Z’ es producido en colisiones electrón-positrón, asociado a dos muones, en color verde en la figura, y cuyo decaimiento se produce a partículas invisibles. En esta figura, el bosón Z’ decae a un neutrino y un anti-neutrino que escapan del detector, pero el modo de decaimiento puede incluir también partículas y anti-partículas de antimateria). Crédito: Ill./©: Belle II.
Imagen generada por ordenador de un evento simulado en el cual un bosón Z’ es producido en colisiones electrón-positrón, asociado a dos muones, en color verde en la figura, y cuyo decaimiento se produce a partículas invisibles. En esta figura, el bosón Z’ decae a un neutrino y un anti-neutrino que escapan del detector, pero el modo de decaimiento puede incluir también partículas y anti-partículas de antimateria). Crédito: Ill./©: Belle II.
El experimento Belle II, que opera en el colisionador SuperKEKB (Tsukuba, Japón), ha comenzado la búsqueda de una hipotética nueva partícula llamada Z’, que podría actuar como un nexo entre la materia ordinaria y la materia oscura.

En los últimos años, las observaciones cosmológicas sugieren que solamente conocemos el 15% de la masa del universo, mientras que el 85% restante estaría compuesto por algún tipo de partícula misteriosa y todavía desconocida denominada materia oscura.

Debido a su gran interés, una parte importante de la comunidad científica, incluyendo al experimento Belle II, intenta buscar evidencias de tal ansiado tipo de materia, que no es energía oscura, materia bariónica ni neutrinos.

No hay evidencia física de su existencia, pero se deduce por los efectos gravitacionales que tiene en la materia visible, como pueden ser las estrellas o las galaxias.

Primera aproximación

Los datos recogidos por Belle II durante su primer año de funcionamiento muestran que, aun no habiendo descubierto la evidencia de Z’, se pueden establecer ciertos límites a sus propiedades.

El denominado bosón Z’ es uno de los candidatos teóricos que podrían conectar la materia oscura con nuestro mundo ordinario.

Su descubrimiento podría solucionar ciertos problemas existentes en la física de partículas en relación al comportamiento de la materia oscura.

También podría resolver algunas anomalías observadas en otros experimentos que no pueden ser explicados por el Modelo Estándar de la física de partículas.

El bosón Z’, en caso de existir, podría producirse en colisiones de electrones con positrones en el acelerador SuperKEKB, y subsecuentemente decaer en partículas invisibles de materia oscura.

Detección indirecta

Pero, ¿cómo se puede detectar el bosón Z' en el detector Belle II? No directamente, eso es seguro.

Los modelos teóricos y las simulaciones predicen que el bosón Z' podría revelarse a través de interacciones con muones, los parientes más pesados ​​de los electrones.

Si los científicos descubren un número inusualmente alto de pares de muones de carga opuesta después de las colisiones de electrones/positrones, así como desviaciones inesperadas en la conservación de energía y momento, esto sería una indicación importante de la presencia del bosón Z'.

Sin embargo, los nuevos datos de Belle II aún no han proporcionado ninguna indicación del bosón Z'.

Pero con los nuevos datos, los científicos pueden limitar la masa y las fuerzas de acoplamiento del bosón Z' con una precisión inalcanzable hasta ahora.

El detector Belle II buscando al bosón Z'. Esta partícula podría revelarse por un número inesperado de pares de muones con cargas opuestas, como se muestra aquí. Creédito: KEK / Belle II.
El detector Belle II buscando al bosón Z'. Esta partícula podría revelarse por un número inesperado de pares de muones con cargas opuestas, como se muestra aquí. Creédito: KEK / Belle II.
Primeros datos

Este primer resultado se ha obtenido analizando una pequeña parte de los datos recolectados durante el proceso de puesta en marcha del acelerador SuperKEKB en 2018.

Desde 2019, tanto el acelerador como el detector Belle II están funcionando a pleno rendimiento y la toma de datos continúa.

Este trabajo permitirá profundizar en los estudios de la materia oscura y en la búsqueda de nuevas partículas fundamentales, así como obtener nuevas medidas de precisión sobre estos procesos de la naturaleza.

Preguntas sin respuesta

Una vez que el experimento esté perfectamente ajustado, proporcionará considerablemente más datos que los obtenidos en los análisis publicados hasta ahora.

Con ellos, los físicos esperan obtener nuevos conocimientos sobre la naturaleza de la materia oscura y sobre otras preguntas todavía sin respuesta.

Entre las nuevas tecnologías desarrolladas para Belle II está DEPFET, un nuevo tipo de detector en cuyo diseño, construcción, instalación y operación participa el Instituto de Física Corpuscular del CSIC (España).

Referencia

Search for an Invisibly Decaying Z′ Boson at Belle II in e+e−→μ+μ−(e±μ∓) Plus Missing Energy Final States. I. Adachi et al. (Belle II Collaboration). Phys. Rev. Lett. 124, 141801. 6 April 2020. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.141801
 



Jueves, 30 de Abril 2020
JGU/T21
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