Babar realiza la primera medida directa de una asimetría en la inversión temporal

Hace unos meses se hizo pública la primera medida directa de la violación de la simetría T (inversión temporal, ver post sobre simetrías) por la colaboración de Babar (artículo, blog emulenews). El artículo ha sido finalmente aprobado para su publicación en la revista Physics Review Letters. El análisis realizado por el equipo liderado por investigador Fernando Martinez-Vidal (IFIC-Valencia) ha conseguido medir esta violación de simetría con más de 14 sigmas de nivel de confianza (5 sigmas equivalen a una certeza mayor a 99.9999%). Hasta el momento solo se habían podido realizar medidas indirectas de esta asimetría.

Cuando se descubrió en 1957 que las interacciones débiles no eran simétricas bajo paridad P, los teóricos asumieron que la operación combinada CP se seguiría conservando (conjugación de carga C, cambia las partículas por las antipartículas). Pero siete años más tarde estudiando los mesones neutros K se observó una pequeña violación de la simetría CP. Partículas vistas a través de un espejo no se comportan exactamente como sus antipartículas. La violación de CP implica que la inversión temporal T no es una simetría perfecta para la interacciones débiles, ya que la simetría CPT tiene que ser conservada. CPT es aun la simetría fundamental en física de partículas.

Hasta 2008 SLAC funcionó como una fábrica de mesones B, produciendo cientos de millones de pares de mesones B. Los mesones B son partículas formadas por un quark o anti-quark pesado (b) y un quark ligero (u o d). La masa de estos mesones es de 5.28 GeV, alrededor de 5 veces más que la del protón. Para producir la mayor cantidad posible de pares de B, el acelerador de SLAC estaba ajustado para que la energía en centro de masas de los electrones y el positrones que chocaban fuera de 10.58 GeV, la energía del mesón Upsilon () que decae inmediatamente en un par de mesones B.  Los pares B producidos en la desintegración del Upsilon están entrelazados cuánticamente de forma que cuando se detecta uno de ellos esto determinaba el estado de su compañero.

Al igual que los neutrinos los mesones B presentan una oscilación de sabor cuando se desplazan. Esto es, un mesón de tipo B se puede convertir en otro mesón de tipo B con características diferentes. Un mesón puede pasar a ser o incluso , mientras se desplaza. Pero el entrelazamiento cuántico nos determina que una vez conocemos el tipo de uno de ellos sabemos como es el segundo. Así si al detectar el segundo no encontramos el sabor esperado, es que el segundo mesón B ha cambiado ha otro estado durante el desplazamiento. Esto es lo que han utilizado el grupo de Babar para detectar la violación de la simetría T.

Veamos el gráfico de arriba, tenemos la desintegración de un Upsilon () en dos mesones B. Se detecta la desintegración del primero a un muon (), esto lo marca como un mesón , inmediatamente por el entrelazamiento el otro debería ser un , si en vez de eso detectamos un , es que en el tiempo que ha tardado en recorrer la distancia se ha transformado en un .

Si la simetría T se conserva siempre, la transición de un estado a otro debe ser igual en un sentido u otro para cualquier valor de , es decir para a) como para b) .

Sobre estas lineas se puede ver el resultado que obtenido por el grupo de Babar, donde se puede ver la asimetría definida como :

en el caso ideal este valor debería ser cero. Para una simetría perfecta no deberíamos encontrar diferencia y además las diferencia no debería depender del tiempo. Pero por los efectos del detector en realidad lo que se esperaría es la linea azul,  sin embargo se obtienen curvas rojas (ajuste a los puntos) muy diferentes del azul. La estimación de la probabilidad de que los datos se puedan ajustar a la linea azul es lo que da las 14 sigmas de nivel de confianza. Además el nivel de violación de la simetría T concuerda con el nivel esperado si la simetría CPT se conserva.

Más información : arXiv (artículo completo) y Physics Today (la entrada en inglés).