Durante décadas, los experimentos con kaones ha sido clave para sentar las bases del Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas fundamentales y sus interacciones. Sin embargo, esa teoría, a pesar de su éxito, no lo explica todo: deja muchas preguntas sin responder. ¿Por qué las partículas tienen las masas que tienen? ¿Qué mecanismo genera la asimetría entre la materia y la antimateria en el universo? En este contexto, los kaones, unas partículas subatómicas conocidas desde los años 40, vuelven a colocarse en el centro de la escena. Esta vez, no para confirmar lo que ya sabemos, sino para ponerlo a prueba como nunca antes.
Un equipo internacional de más de un centenar de investigadores, liderados por instituciones como el CERN y universidades de Europa, Asia y América, acaba de publicar un extenso documento técnico en arXiv titulado “Kaon Physics: A Cornerstone for Future Discoveries”. En él, se describe el potencial transformador del programa de física de kaones. Según los autores, “los decaimientos raros de kaones proporcionan una sonda muy sensible y, lo que es más importante, única para detectar extensiones del Modelo Estándar”. Es decir, estudiar cómo se desintegran estos kaones podría dar pistas claras sobre nuevas leyes de la física aún no descubiertas.
El problema de la jerarquía y el papel de los kaones
Uno de los grandes desafíos teóricos actuales es el problema de la jerarquía: por qué algunas partículas son miles de veces más masivas que otras. A esto se suma el llamado “problema del sabor”, que se refiere a las diferencias entre los tipos (sabores) de quarks y leptones. La física de kaones entra en escena precisamente porque permite estudiar transiciones de quarks que están fuertemente suprimidas dentro del Modelo Estándar.
Decaimientos como el de un kaón cargado que se transforma en un pión y dos neutrinos invisibles, o el de un kaón neutro que se convierte en un pión neutro acompañado también por dos neutrinos, son ejemplos de procesos extremadamente raros. La teoría predice con gran precisión con qué frecuencia deberían ocurrir, pero lo hacen tan pocas veces que cualquier desviación respecto a lo esperado podría ser una señal de nueva física. Como se indica en el artículo, “estos canales son los únicos disponibles para estudiar transiciones neutras de tipo cambio de sabor, como la de un quark extraño a un quark abajo acompañado de neutrinos, muy suprimidas en el Modelo Estándar y altamente sensibles a efectos de nueva física”.
¿Qué son los kaones?
Los kaones son partículas subatómicas formadas por un quark y un antiquark, y pertenecen a la familia de los mesones. Fueron descubiertos en los años 40 y desde entonces han sido fundamentales para entender las reglas que gobiernan el mundo de las partículas elementales. Lo que los hace especialmente interesantes es que pueden cambiar de tipo —o “sabor”— durante sus transformaciones, algo que permitió descubrir una propiedad clave llamada violación de simetría CP, relacionada con las diferencias entre materia y antimateria. A pesar de su pequeño tamaño y corta vida, los kaones siguen siendo hoy una herramienta poderosa para poner a prueba las teorías más profundas de la física.
KOTO y KOTO II: Japón se suma a la carrera
Mientras el experimento NA62, en el CERN, se centra en estudiar decaimientos de kaones cargados, el laboratorio japonés J-PARC lidera un enfoque complementario: observar la desintegración de kaones neutros. En concreto, el experimento KOTO investiga un proceso extraordinariamente raro en el que un kaón neutro se transforma en un pión neutro y dos neutrinos, que escapan sin dejar rastro. Este tipo de desintegración es especialmente valioso porque, desde el punto de vista teórico, es más limpio y predecible que muchos otros. El Modelo Estándar calcula que ocurre aproximadamente una vez cada cien mil millones de veces, y KOTO ya ha logrado acercarse a esa sensibilidad.
El futuro inmediato de este programa es KOTO II, una versión mucho más ambiciosa del experimento original. Su objetivo es multiplicar por cien la sensibilidad de KOTO, lo que permitiría detectar varias decenas de estos raros eventos con gran claridad. Según los autores del informe, “KOTO II está diseñado para observar varias decenas de eventos de este tipo con una relación señal/ruido cercana a 1, alcanzando una significancia estadística superior a 5σ”. Esto significa que la probabilidad de que el resultado sea producto del azar es menor a una entre tres millones, el nivel de certeza que se exige para confirmar un descubrimiento en física de partículas.
Además, el nuevo experimento permitirá explorar otros canales de desintegración donde el kaón neutro produce un pión neutro acompañado de electrones o muones, fundamentales para estudiar posibles violaciones de simetría en las leyes de la física, como la que podría explicar por qué el universo está hecho mayoritariamente de materia y no de antimateria.
Tecnología de vanguardia y aplicaciones futuras
Una característica distintiva de estos experimentos es su papel como banco de pruebas para nuevas tecnologías. Por ejemplo, NA62 desarrolló detectores capaces de operar en condiciones extremas de radiación y con tiempos de respuesta de solo 100 picosegundos. La siguiente generación de detectores aspira a alcanzar resoluciones de 20 picosegundos, lo que podría abrir nuevas posibilidades tanto en física de partículas como en otros campos tecnológicos.
Además, “los experimentos dedicados a kaones, más pequeños que los grandes colisionadores, permiten innovar con tecnologías que luego pueden aplicarse en otros contextos más amplios”. Este enfoque modular y escalable también facilita la colaboración internacional y la participación de una comunidad científica diversa, que abarca desde expertos en teoría hasta ingenieros de detectores.
Más allá del Modelo Estándar: explorando nuevas fronteras
Una de las mayores motivaciones para este programa es su capacidad para explorar física más allá del Modelo Estándar (BSM, por sus siglas en inglés). Existen múltiples modelos teóricos que predicen desviaciones en los decaimientos raros de kaones, incluyendo teorías con nuevos bosones, partículas mediadoras pesadas o incluso candidatos a materia oscura.
“Los decaimientos raros de kaones permiten poner límites a nuevas partículas o interacciones a escalas superiores a los 100 TeV”. Esto supera incluso la sensibilidad de los colisionadores de partículas actuales, como el LHC, y complementa los esfuerzos de búsqueda en otros sectores, como la física de los mesones B.
por otra parte, los kaones permiten estudiar interacciones entre quarks ligeros y leptones de tercera generación, una ventana única a la jerarquía de sabores en la naturaleza. También podrían revelar señales de partículas hipotéticas como axiones o fotones oscuros.
Interferencia entre estados: una nueva dimensión experimental
Otro enfoque innovador dentro del programa de física de kaones es el estudio de la interferencia cuántica entre dos tipos de kaones neutros, aquellos que viven muy poco tiempo y los que son más estables. Analizar cómo se combinan y descomponen estos estados permite investigar con gran precisión si las leyes de la física se comportan igual para la materia y la antimateria, una propiedad conocida como simetría CP. Aunque se trata de un fenómeno técnicamente complejo, aporta información distinta y complementaria a la que ofrecen los canales de desintegración más conocidos.
Experimentos como LHCb, en el CERN, también están explorando esta línea de investigación. Aprovechan la enorme cantidad de kaones que se producen en los colisionadores de partículas y sus sistemas avanzados para detectar señales muy sutiles. Con las próximas mejoras previstas en sus equipos, se espera que LHCb pueda alcanzar la precisión necesaria para medir con claridad ciertos parámetros clave, como la asimetría en la desintegración de kaones en pares de muones, un indicador muy sensible de posibles violaciones en las reglas que rigen la materia y la antimateria.
Un camino claro para los próximos 20 años
El informe presentado por los investigadores no es solo un resumen del conocimiento actual, sino también una hoja de ruta clara hacia el futuro. En él, se recomienda fortalecer y ampliar el programa europeo de física de kaones, con especial énfasis en el estudio de ciertos decaimientos extremadamente raros, como aquellos en los que un kaón cargado se convierte en un pión más dos neutrinos, o en los que un kaón neutro se desintegra en un par de muones. También subrayan la necesidad de reforzar la colaboración internacional con el experimento KOTO II en Japón, y de mantener el liderazgo europeo en los cálculos teóricos, particularmente en los que utilizan simulaciones por computadora para describir las interacciones fuertes entre partículas.
Gracias a la combinación de experimentos de alta precisión, modelos teóricos sofisticados y avances tecnológicos, la física de kaones se perfila como uno de los pilares de la investigación en física fundamental para las próximas décadas. Este campo no solo ofrece la posibilidad de encontrar pistas sobre nuevas leyes del universo, sino que también impulsa el desarrollo de herramientas que podrán aplicarse en otras áreas de la ciencia y la tecnología.
Referencias
Cortesía de Muy Interesante
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