Measurement of $e^{+} e^{-}\to p\bar{p}$ around $\psi(2S)$ with scan method

En el corazón de la materia, donde los protones y neutrones se construyen a partir de partículas aún más pequeñas llamadas quarks, existe un conjunto de reglas que gobierna cómo estas diminutas piezas se mantienen unidas y se separan. Estas reglas se describen mediante una teoría llamada Cromodinámica Cuántica, que actúa como el manual de instrucciones para la fuerza fuerte, la pegamento más poderoso del universo. Si bien esta teoría funciona perfectamente para algunas situaciones, se vuelve increíblemente difícil de resolver cuando las partículas se mueven lentamente o interactúan de formas complejas. Los físicos han estado fascinados durante mucho tiempo por una familia específica de partículas llamada charmonium, que están hechas de un pesado quark charm y su gemelo de antimateria. Estas partículas son lo suficientemente pesadas como para ser estudiadas con alta precisión, pero lo suficientemente ligeras como para que las reglas desordenadas y complejas de la fuerza fuerte dominen su comportamiento. Al observar cómo se crean estas partículas y cómo decaen en otras partículas, los científicos esperan descubrir la mecánica oculta de la fuerza fuerte y ver cómo compite con la fuerza electromagnética, la misma fuerza que hace que los imanes se peguen y que el rayo golpee.

Un estudio reciente realizado por la Colaboración BESIII ha dado una nueva mirada a una de estas partículas de charmonium, conocida como la psi-2S. Esta partícula es una versión ligeramente más pesada de la famosa partícula J/psi y es inestable, lo que significa que se descompone rápidamente en otras partículas. Los investigadores estaban particularmente interesados en lo que sucede cuando la psi-2S decae en un protón y un antiprotón. En el mundo de la física de partículas, este decaimiento puede ocurrir de dos maneras diferentes al mismo tiempo: ya sea a través de la fuerza fuerte, que involucra el intercambio de gluones, o a través de la fuerza electromagnética, que involucra un fotón virtual. Debido a que ambos procesos pueden ocurrir simultáneamente, interfieren entre sí, de forma muy similar a como dos ondas en un estanque se encuentran para crear un nuevo patrón. La clave para entender esta interacción reside en medir el tiempo relativo, o fase, entre estas dos fuerzas. Si el tiempo está desfasado, las fuerzas podrían anularse entre sí; si están alineadas, podrían potenciar el resultado. Determinar este tiempo es crucial porque ayuda a los físicos a comprender si las fuerzas fuerte y electromagnética se comportan de una manera predecible y universal o si hay sorpresas ocultas en los detalles.

Para resolver este rompecabezas, el equipo no se basó en una sola instantánea de datos. En su lugar, realizaron un escaneo cuidadoso, recolectando datos en nueve niveles de energía ligeramente diferentes alrededor de la masa de la partícula psi-2S. Este método les permitió mapear la forma exacta de la resonancia, que es el pico en los datos que marca la presencia de la partícula. Al analizar cómo cambiaba el número de pares protón-antiprotón a medida que avanzaban a través de estos niveles de energía, los investigadores pudieron separar las contribuciones de la fuerza fuerte, la fuerza electromagnética y un proceso de fondo que ocurre incluso sin la resonancia. Utilizaron el detector BESIII, un instrumento masivo ubicado en el Colisionador Electrón-Positrón de Beijing, para registrar las colisiones. El detector actúa como una cámara gigante de alta velocidad que rastrea las trayectorias de las partículas cargadas y mide su energía, permitiendo al equipo identificar los eventos específicos donde se crean un protón y un antiprotón.

Tras recolectar un total de 495 picobarns inversos de datos, el equipo aplicó criterios estrictos para asegurar que estaban observando los eventos correctos. Filtraron los rayos cósmicos y otro ruido de fondo, centrándose únicamente en pares de partículas que coincidieran con el comportamiento esperado de un protón y un antiprotón. El análisis reveló una señal clara, con el número de eventos detectados subiendo y bajando en un patrón que coincidía con las predicciones teóricas para la resonancia psi-2S. Los investigadores utilizaron entonces un modelo matemático sofisticado para ajustar la forma de estos datos, extrayendo los valores de los parámetros físicos subyacentes. Encontraron que la fase relativa entre las amplitudes fuerte y electromagnética no es cero ni ciento ochenta grados, como podrían sugerir algunas teorías simples, sino que se sitúa en un valor de aproximadamente ciento seis grados o menos ciento cinco grados. Estas dos soluciones representan dos formas distintas en las que las matemáticas pueden funcionar, pero ambas apuntan a la misma realidad física: las dos fuerzas son casi perpendiculares entre sí en su sincronización.

Con esta medición de fase en mano, el equipo calculó la probabilidad, o fracción de ramificación, de que la psi-2S decaiga en un protón y un antiprotón. Encontraron que esta probabilidad es aproximadamente tres punto veintiuno veces diez a la potencia de menos cuatro, o tres punto cuarenta y siete veces diez a la potencia de menos cuatro, dependiendo de cuál de las dos soluciones matemáticas se elija. Estos resultados son ligeramente superiores a las mediciones previas, pero se mantienen consistentes dentro del margen de error. El estudio también proporcionó una nueva y precisa medición del factor de forma efectivo, una cantidad que describe la estructura interna del protón tal como la ven las partículas que colisionan. Los resultados mostraron una curva suave que se alinea bien con hallazgos anteriores de otros experimentos, llenando un vacío en los datos alrededor de la región de energía de la psi-2S.

La importancia de estos hallazgos radica en su capacidad para poner a prueba los límites de nuestra comprensión actual. El hecho de que la fase no sea cero sugiere que la idea simple de que las fuerzas fuerte y electromagnética estén perfectamente sincronizadas o perfectamente desincronizadas es incorrecta. En cambio, los datos apoyan una imagen más compleja donde estas fuerzas interactúan de una manera que es universal a través de diferentes tipos de decaimientos de partículas. Aunque la razón exacta de este ángulo específico sigue siendo un misterio para que los físicos teóricos lo expliquen, la medición experimental proporciona un anclaje sólido para futuras teorías. Al confirmar que la interferencia entre estas fuerzas sigue un patrón predecible, el estudio ayuda a refinar los modelos que describen cómo se construye la materia desde sus cimientos. El trabajo es un testimonio del poder de la medición de precisión, demostrando cómo el escaneo cuidadoso del paisaje energético puede revelar los ritmos sutiles y ocultos del mundo subatómico.