En un estudio pionero realizado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), la colaboración CMS ha puesto a prueba si los quarks top, las partículas elementales más pesadas conocidas, cumplen con la famosa teoría de la relatividad especial de Einstein. Este trabajo ha sido publicado en la revista Physics Letters B.
La teoría de la relatividad especial, junto con la mecánica cuántica, es uno de los pilares fundamentales del Modelo Estándar de la física de partículas. Un concepto central de esta teoría es la simetría de Lorentz, que establece que los resultados experimentales son independientes de la orientación o la velocidad del experimento. A lo largo del tiempo, esta teoría ha demostrado su validez, aunque ciertos modelos teóricos, como algunos de la teoría de cuerdas, sugieren que en energías extremadamente altas, la relatividad especial podría no ser aplicable, lo que llevaría a que las observaciones experimentales dependieran de la orientación en el espacio-tiempo.
Resultados del Experimento y Simetría de Lorentz
Los remanentes de una posible ruptura de la simetría de Lorentz podrían ser detectables en energías más bajas, como las que se alcanzan en el LHC. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos previos, no se han encontrado evidencias de tal ruptura en el LHC ni en otros colisionadores. En este reciente estudio, la colaboración CMS investigó la posible ruptura de la simetría de Lorentz a través de pares de quarks top. La existencia de una dependencia de la orientación en el experimento significaría que la tasa de producción de pares de quarks top en colisiones de protones en el LHC variaría con el tiempo.
Específicamente, dado que la Tierra rota sobre su eje, la dirección de los haces de protones del LHC y la dirección promedio de los quarks top generados en las colisiones también varían a lo largo del día. Si existiera una dirección preferencial en el espacio-tiempo, se esperaría que la tasa de producción de pares de quarks top fluctuara con el paso del tiempo. Por lo tanto, detectar una desviación de una tasa constante podría implicar el descubrimiento de tal dirección preferencial.
Los resultados obtenidos por el experimento CMS, basados en datos del segundo ciclo del LHC, coinciden con una tasa constante, lo que sugiere que no hay ruptura de la simetría de Lorentz y que la relatividad especial de Einstein sigue siendo válida. Este hallazgo permite establecer límites más precisos sobre ciertos parámetros que, según las teorías que predicen la ruptura de simetría, deberían ser nulos si la simetría se mantiene. Los límites alcanzados mejoran hasta en un factor de 100 en comparación con los resultados de una búsqueda anterior realizada en el antiguo acelerador Tevatron.
Estos resultados allanan el camino para futuras investigaciones sobre la ruptura de la simetría de Lorentz, basándose en datos de quarks top del tercer ciclo del LHC. Además, abren la posibilidad de examinar procesos que involucran otras partículas pesadas que solo pueden ser estudiadas en el LHC, como el bosón de Higgs y los bosones W y Z.
Más información:
A. Hayrapetyan et al, Searches for violation of Lorentz invariance in top quark pair production using dilepton events in 13 TeV proton-proton collisions, Physics Letters B (2024). DOI: 10.1016/j.physletb.2024.138979
