Oscilación de partículas neutras

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En física de partículas, la oscilación de partículas neutras es la trasmutación de una partícula sin carga eléctrica en otra debido a un cambio de un número cuántico interno mediante una interacción que no conserva dicho número cuántico. Estas oscilaciones se pueden clasificar en dos tipos:

En el caso de que las partículas se desintegren en algún estado final, el sistema no es puramente oscilatorio, y se observan interferencias entre la oscilación y la desintegración.

Historia y motivación[editar]

Violación de CP[editar]

Ejemplo de diagrama de Feynmana un bucle que contribuye a la oscilación de kaones neutros.

Tras el impactante descubrimiento por parte de Wu et al. en 1957 de la violación de la paridad, se asumió que CP (la transformación conjunta de conjugación de carga y paridad) sí se conservaba.[2]​ Sin embargo, en 1964 Cronin y Fitch descubrieron una violación de CP en el sistema de kaones neutros.[3]​ Observaron que el estado de vida larga K2 (CP = −1) podía desintegrarse a dos piones (CP = (−1)(−1) = +1), violando la conservación de CP.

En 2001, los experimentos BaBar y Belle confirmaron la violación de CP en el sistema B0
B0
.[4][5]​ Ambos laboratorios reportaron violación directa de CP en B0
B0
en 2005.[6][7]

El problema de los neutrinos solares[editar]

Comparación entre las predicciones teóricas (sin oscilación de neutrinos) para la producción de neutrinos solares y los resultados de distintos experimentos.

La cadena pp en el Sol produce una gran cantidad de ν
e
. En 1968, Raymond Davis et al. publicaron los resultados del experimento de Homestake.[8][9]​ Este experimento empleaba un tanque enorme de percloroetileno situado en la mina de Homestake (Dakota del Sur, Estados Unidos), bajo tierra para eliminar el fondo creado por los rayos cósmicos. Los núcleos de cloro del percloroetileno absorben ν
e
para producir argón mediante la reacción

,

que es esencialmente

.[1]

El experimento recogió el argón producido durante varios meses. Dado que la interacción de los neutrino es muy débil, solo se creaba aproximadamente un núcleo de argón cada dos días. La cantidad obtenida era solamente un tercio de la predicción teórica de Bahcall.

En 1968, Bruno Pontecorvo demostró que si se supone que los neutrinos tienen masa, los ν
e
producidos en el Sol se pueden transformar en otras especies (ν
μ
o ν
τ
), que no serían detectadas por el experimento de Homestake. La confirmación final a esta solución del problema de los neutrinos solares la proporcionó el SNO en abril de 2002, midiendo tanto el flujo de ν
e
como el flujo total de neutrinos.[10]

Descripción en la mecánica cuántica[editar]

Sistema de dos estados[editar]

Caso especial: solo mezcla[editar]

Sea el hamiltoniano del sistema de dos estados, y y sus dos autoestados ortogonales con autovalores y respectivamente. En la base , es diagonal. Esto es,

.

Sea el estado del sistema en un tiempo . Si el sistema se encuentra inicialmente en uno de los autoestados de , por ejemplo

entonces, el estado tras sufrir la evolución temporal, que es la solución a la ecuación de Schrödinger

   (1)

será,[1]

Pero este estado es físicamente equivalente a ya que el término exponencial es solamente una fase y no produce un nuevo estado. En otras palabras, los autoestados de la energía son estados estacionarios, y no producen estados físicamente diferentes bajo evolución temporal.

Se puede demostrar que la oscilación entre estados ocurre si y solamente si los términos de fuera de la diagonal del hamiltoniano son distintos de cero.

Introduzcamos una perturbación general en tal que el hamiltoniano resultante siga siendo hermítico. Por lo tanto,

donde, y

y,

   (2)

Los autovalores de son[11]

   (3)

Dado que es una matriz hermítica, se puede escribir como[12]

Se cumplen las siguientes propiedades:

Con la siguiente parametrización[12]

,

y usando los resultados anteriores, los autovectores ortogonales de y por tanto también de resultan ser

   (4)

Escribiendo los autovectores de en términos de los de , se obtiene

   (5)

Ahora si el sistema es inicialmente un autoestado de , esto es

tras la evolución temporal se obtiene,[11]

que en este caso sí es estrictamente diferente de .

La probabilidad de encontrar al sistema en el estado cuando ha transcurrido un tiempo está dada por[11]

   (6)

que es conocida como la fórmula de Rabi. Por lo tanto, empezando en un autoestado del hamiltoniano sin perturbar , el estado del sistema oscila entre los dos autoestados de con una frecuencia, conocida como frecuencia de Rabi,

   (7)

De la expresión de se puede inferir que la oscilación solo puede existir en caso de que exista el término de acoplamiento, . La oscilación tampoco se produce si los autovalores del hamiltoniano son degenerados, . Pero esto es un caso trivial, ya que en esta situación el acoplamiento se debe anular y el hamiltoniano es diagonal, por lo que se trata del caso inicial.

Caso general: mezcla y desintegración[editar]

Si las partículas pueden desintegrarse, el hamiltoniano que describe la oscilación no es hermítico.[13]​ Cualquier matriz se puede escribir como la suma de sus partes hermítica y antihermítica, por lo que es

Los autovalores de son

y,

   (8)

Los subíndices provienen de Heavy (pesado) y Light ligero, lo que supone que es positivo.

Los autoestados normalizados correspondientes a y respectivamente, en la base natural son,

y,

   (9)

y son los términos de mezcla. Los dos autoestados ahora no son ortogonales.

Si el sistema inicialmente se encuentra en el estado ,esto es,

Bajo evolución temporal se obtiene

De un modo similar, si el estado inicialmente es , bajo evolución temporal se obtiene

.

Matriz de mezcla[editar]

Si el sistema tiene tres o más estados (por ejemplo, las tres especies de neutrinos ν
e
ν
μ
ν
τ
o las tres especies de quarks dsb), entonces, como ocurría en el caso de dos estados, los autoestados de sabor (, , ) se pueden escribir como una combinación lineal de autoestados de la energía (o masa) ( , , ). Así es,

.

En el caso de los neutrinos, los estados más familiares ν
e
ν
μ
ν
τ
son autoestados de sabor, y la matriz de mezcla se denomina matriz PMNS. En el caso de los quarks, dsb son autoestados de energía, y su mezcla esta descrita por la matriz CKM.[1]

La matriz de mezcla debe ser unitaria, y los términos fuera de la diagonal representan acoplamientos entre las distintas especies. Mediante una parametrización adecuada, los valores de las matrices de mezcla se pueden determinar experimentalmente.

Violación de CP[editar]

Si los estados y son conjugados CP (es decir, partícula y antipartícula), y ), y se cumplen ciertas condiciones, se producirá una violación de CP como resultado de la oscilación de partículas. La violación de CP puede suceder por tres motivos:[13][15]

Violación CP por mezcla[editar]

La probabilidad transcurrido un tiempo de observa como un sistema que inicialmente se encontraba en el estado está dada por,

,

y la de su proceso conjugado CP,

.

Estas dos probabilidades son diferentes si,

   (10)

Por lo tanto, la oscilación de partícula-antipartícula resulta ser un proceso que viola CP, ya que la partícula y la antipartícula no son autoestados de CP.

Violación CP por desintegración[editar]

Sea un proceso donde se desintegran a los estados finales , donde los kets con y sin barra son conjugados CP entre sí.

La probabilidad de que se desintegre en está dada por,

,

y la del proceso conjugado por,

Si no hay violación CP debida a la mezcla .

Las dos probabilidades serán diferentes si,

y .   (11)

Por lo tanto, la desintegración es un proceso que viola CP ya que la probabilidad de una desintegración y la de su conjugada CP son diferentes.

Violación de CP por interferencia de mezcla y desintegración[editar]

Sea un estado final, autoestado de CP, en el que puedan desintegrarse tanto como . En esta situación, las probabilidades de desintegración son

y

donde,

Con estas expresiones, se puede comprobar que, aunque no haya violación de CP debida únicamente a la mezcla (es decir, ) y tampoco haya violación de CP debida únicamente a la desintegración (es decir, ), y por lo tanto, las probabilidades para ambos procesos pueden ser diferentes si

.   (12)

Por lo tanto, el último término en las expresiones para la probabilidad de desintegración está asociado con la interferencia entre mezcla y desintegración.

Clasificación alternativa[editar]

Normalmente se hace otra clasificación de los procesos de violación de CP:[15]

  • Violación directa de CP: Se produce cuando . Según la clasificación anterior, la violación directa de CP se produce cuando solo se viola CP en la desintegración.
  • Violación indirecta de CP: Se produce en los casos en los que hay mezcla. Según la clasificación anterior, la violación indirecta de CP se corresponde con la violación por mezcla, por interferencia o ambas.
Demostración
donde es el momento con el que fue creado el neutrino.

Se puede aproximar, y .

Por lo tanto,

donde

Por lo tanto, el acoplamiento entre los autoestados de energía (o masa) produce el fenómeno de oscilación entre los autoestados de sabor. Una conclusión importante es que los neutrinos tienen masa finita, aunque sea muy pequeña. Por lo tanto, no viajan exactamente a la velocidad de la luz, sino ligeramente más despacio.

Diferencia de masas de los neutrinos[editar]

Con los tres sabores de neutrinos hay tres diferencias de masas:

Aunque solo dos de ellos son independientes, ya que .

Para neutrinos solares, .

Para neutrinos atmosféricos, .

Esto significa que dos de los tres neutrinos tienen masas muy similares entre sí. Como solamente dos de los son independientes, y la expresión de la probabilidad en la ecuación (13) no es sensible al signo de (porque el seno al cuadrado es independiente del signo de su argumento), no es posible determinar el espectro de masas de los neutrinos únicamente mediante el fenómeno de oscilación. Es decir, cualquier par de neutrinos pueden tener las masas muy próximas. Además, como la oscilación solo depende de la diferencia de las masas (al cuadrado), es imposible la determinación de la masa de los neutrinos por este método.

Escala del sistema[editar]

La ecuación (13) indica que la escala de distancias del sistema es la longitud de oscilación . Se pueden dar las siguientes situaciones:

  • , entonces y no se observa oscilación. Por ejemplo, producción (por desintegración nuclear por ejemplo) y detección de neutrinos en un laboratorio.
  • , donde es un número entero, entonces y no se observa oscilación.
  • En el resto de casos sí se observa oscilación. Por ejemplo, en el caso de los neutrinos solares y para la observación de neutrinos producidos en una planta nuclear desde un laboratorio a unos kilómetros, .

Oscilación y desintegración de kaones neutros[editar]

Violación de CP solo por mezcla[editar]

El artículo de 1964 de Christenson et al.[3]​ proporcionó evidencias de la violación de CP en el sistema de los kaones neutros. El kaón de vida larga (CP = −1) se desintegra en dos piones (CP = (−1)(−1) = 1), por tanto violando la conservación de CP.

y son los autoestados de extrañeza, con autovalores +1 y −1 respectivamente, y los autoestados de energía son

and,

.

Estos estados también son autoestados CP con autovalores +1 y −1 respectivamente. En el caso de que CP se hubiese conservado, se esperaba que:

  • Dado que tiene un autovalor de CP +1, puede desintegrarse en dos piones, o en tres piones con una combinación de momentos angulares adecuada. La desintegración a dos piones es mucho más frecuente.
  • tiene un autovalor de CP −1, solo puede desintegrarse a tres piones y nunca a dos.

Como la desintegración a dos piones es mucho más rápida que la desintegración a tres piones, recibía el nombre de kaón de vida corta , y como el kaón de vida larga . El experimento de 1964 demostró que, en contra de lo previsto, podía desintegrarse en dos piones. Esto implicaba que el kaón de vida larga no podía corresponder con el autoestado de CP , sino que debía contener una pequeña componente de , por lo que no era autoestado de CP.[16]​ Del mismo modo, el kaón de vida corta debía contener una pequeña componente de . Esto es

and,

donde es una cantidad compleja que mide la desviación respecto a la simetría CP. Experimentalmente, .[17]

Escribiendo y en términos de y , se obtiene (recordando que [17]​) la forma de la ecuación (9):

y

donde .

Dado que , se cumple la condición (11) y se produce mezcla entre los estados y , dando lugar a los estados de vida corta y larga.

Violación de CP solo por desintegración[editar]

Los estados K0
L
y K0
S
tienen dos modos de desintegración a dos piones: π0
o π+
π
. Ambos estados finales son autoestados de CP. Se definen las tasas de desintegración siguientes[18]

y

.

Experimentalmente, [17]​ y . Es decir , lo que significa que y , y por lo tanto se cumple la condición (10).

En conclusión, se observa violación directa de CP en la asimetría entre los dos modos de desintegración.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. a b c d Griffiths, D. J. (2008). Elementary Particles (Segunda, revisada edición). Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2. 
  2. Wu, C. S.; Ambler, E.; Hayward, R. W.; Hoppes, D. D.; Hudson, R. P. (1957). «Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay». Physical Review 105 (4): 1413-1415. Bibcode:1957PhRv..105.1413W. doi:10.1103/PhysRev.105.1413. 
  3. a b Christenson, J. H.; Cronin, J. W.; Fitch, V. L.; Turlay, R. (1964). «Evidence for the 2π Decay of the K0
    2
    Meson». Physical Review Letters 13 (4): 138-140. Bibcode:1964PhRvL..13..138C. doi:10.1103/PhysRevLett.13.138.
     
  4. Abashian, A. (2001). «Measurement of the CP Violation Parameter sin2φ1 in B0
    d
    Meson Decays». Physical Review Letters 86 (12): 2509-2514. Bibcode:2001PhRvL..86.2509A. doi:10.1103/PhysRevLett.86.2509. arΧiv:hep-ex/0102018.
     
  5. Aubert, B.; (BABAR Collaboration) (2001). «Measurement of CP-Violating Asymmetries in B0 Decays to CP Eigenstates». Physical Review Letters 86 (12): 2515-2522. Bibcode:2001PhRvL..86.2515A. PMID 11289970. doi:10.1103/PhysRevLett.86.2515. arΧiv:hep-ex/0102030. 
  6. Aubert, B.; (BABAR Collaboration) (2004). «Direct CP Violating Asymmetry in B0→K+π Decays». Physical Review Letters 93 (13): 131801. Bibcode:2004PhRvL..93m1801A. doi:10.1103/PhysRevLett.93.131801. arΧiv:hep-ex/0407057. 
  7. Chao, Y.; (Belle Collaboration) (2005). «Improved measurements of the partial rate asymmetry in B→hh decays». Physical Review D 71 (3): 031502. Bibcode:2005PhRvD..71c1502C. doi:10.1103/PhysRevD.71.031502. arΧiv:hep-ex/0407025. 
  8. Bahcall, J. N. (28 de abril de 2004). «Solving the Mystery of the Missing Neutrinos». The Nobel Foundation. Consultado el 8 de diciembre de 2016. 
  9. Davis, Jr., R.; Harmer, D. S.; Hoffman, K. C. (1968). «Search for Neutrinos from the Sun». Physical Review Letters 20 (21): 1205-1209. Bibcode:1968PhRvL..20.1205D. doi:10.1103/PhysRevLett.20.1205. 
  10. Ahmad, Q. R.; (SNO Collaboration) (2002). «Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory». Physical Review Letters 89: 011301. Bibcode:2002PhRvL..89a1301A. PMID 12097025. doi:10.1103/PhysRevLett.89.011301. arΧiv:nucl-ex/0204008. 
  11. a b c Cohen-Tannoudji, C.; Diu, B.; Laloe, F. (2006). Quantum Mechanics. Wiley-VCH. ISBN 978-0-471-56952-7. 
  12. a b Gupta, S. (13 de agosto de 2013). «The mathematics of 2-state systems». Quantum Mechanics I. Tata Institute of Fundamental Research. Consultado el 8 de diciembre de 2016. 
  13. a b Dighe, A. (26 de julio de 2011). «B physics and CP violation: An introduction». Tata Institute of Fundamental Research. Consultado el 12 de agosto de 2016. 
  14. Sakurai, J. J.; Napolitano, J. J. (2010). Modern Quantum Mechanics (Second edición). Addison-Wesley. ISBN 978-0-805-38291-4. 
  15. a b Kooijman, P.; Tuning, N. (2012). «CP violation». 
  16. Griffiths, D. J. (2008). Elementary Particles (Second, Revised edición). Wiley-VCH. p. 147. ISBN 978-3-527-40601-2. 
  17. a b c Olive, K.A.; (Particle Data Group) (2014). «Review of Particle Physics – Strange Mesons». Chinese Physics C 38 (9): 090001. Bibcode:2014ChPhC..38i0001O. doi:10.1088/1674-1137/38/9/090001. 
  18. Kooijman, P.; Tuning, N. (2012). «CP violation».