La primera observación de una extraña forma de desintegración atómica abre las puertas a una nueva física

El hallazgo, recién presentado durante un seminario del CERN por la colaboración NA62, consiste en la primera observación experimental de la extraordinariamente rara desintegración de un kaón cargado en un pión cargado y un par neutrino-antineutrino.

Según el Modelo Estándar de la Física, la gran teoría que engloba todas las partículas conocidas y las cuatro fuerzas que las gobiernan, apenas uno de cada 10.000 millones de kaones se desintegra de esta manera. Y el experimento NA62 ha sido diseñado y construido, precisamente, para medir esta rarísima excepción.

Para Cristina Lazzeroni, profesora de Física de Partículas en la Universidad de Birmingham, «con esta medición, se convierte en la desintegración más rara establecida a nivel de descubrimiento: la famosa 5 sigma. Este difícil análisis es el resultado de un excelente trabajo en equipo y estoy muy orgullosa de ello». En física, sólo se puede decir que realmente se ha descubierto algo si alcanza una significación 5 sigma, es decir, una probabilidad de apenas el 0,02% de que el evento en cuestión no sea real y se trate, por ejemplo, de una simple fluctuación estadística.

A diferencia de las partículas 'clásicas' como protones y neutrones, que están formadas por tres quarks, los kaones constan solo de dos, por lo que también se las conoce como 'partículas extrañas'. En el CERN, los kaones son producidos por un haz de protones de alta intensidad, (generado por el Súper Sincrotrón de Protones, SPS), que choca después con un objetivo estacionario. Esto crea un haz de partículas secundarias con casi mil millones de partículas por segundo volando hacia el detector NA62, de las cuales aproximadamente el 6% son kaones cargados. El detector identifica y mide con precisión cada kaón y sus productos de desintegración.

«Esta es la culminación de un largo proyecto iniciado hace más de una década -dice Giuseppe Ruggiero, de la Universidad de Florencia-. Buscar efectos en la naturaleza que tengan probabilidades de ocurrir del orden de 10 elevado a -11 es fascinante y desafiante. Después de un trabajo riguroso y minucioso, obtuvimos una sorprendente recompensa a nuestro esfuerzo y conseguimos el resultado tan esperado».

Un resultado se basa en la combinación de datos tomados por el experimento NA62 en 2021-22 y otro resultado publicado anteriormente y basado en el conjunto de datos de 2016-18. El conjunto de datos de 2021-22 se recopiló después de una serie de actualizaciones en la configuración NA62, lo que permitió el funcionamiento con una intensidad del haz un 30% mayor, con varios detectores nuevos y mejorados.

Para Evgueni Goudzovski, que se unió al experimento NA62 en 2007 y contribuyó a su diseño de forma fundamental, «atraer a los mejores talentos y ofrecer puestos de responsabilidad a investigadores que inician su carrera siempre ha sido la prioridad del grupo. Estamos orgullosos de que tanto el actual coordinador de física de NA62 como el actual coordinador de la medición sean ex estudiantes de doctorado de Birmingham. Es un privilegio trabajar y liderar un equipo tan enérgico y constructivo».

La extraña desintegración, dicen los investigadores, es extraordinariamente sensible a una nueva física, más allá de la descripción que proporciona el Modelo Estándar. Lo cual la convierte en una de las mejores 'puntas de lanza' de que disponen los físicos para desentrañar las leyes naturales que aún desconocemos.

Se ha calculado que la fracción de kaones que se desintegran en un pión y dos neutrinos es de aproximadamente 13 entre 100 mil millones. Lo cual coincide con las predicciones del Modelo Estándar, pero es aproximadamente un 50% más alto. La diferencia, dicen los investigadores, podría deberse a nuevas partículas que aumentan la probabilidad de esta desintegración, pero se necesitan más datos para confirmar esta idea. El experimento NA62 está recopilando datos actualmente y los científicos esperan confirmar, o descartar, la presencia de esa nueva física durante los próximos años.