Experimento BaBar

El experimento BaBar , o simplemente BaBar , es una colaboración internacional de más de 500 físicos e ingenieros que estudian el mundo subatómico a energías de aproximadamente diez veces la masa en reposo de un protón (~10 GeV ). Su diseño fue motivado por la investigación de la violación de la simetría carga-paridad . BaBar está ubicado en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC , operado por la Universidad de Stanford para el Departamento de Energía de California . 

BaBar se creó para comprender la disparidad entre la materia y la antimateria del universo midiendo la violación de la paridad de carga . La simetría CP es una combinación de la simetría de conjugación de carga ( simetría C) y la simetría de paridad (simetría P ), cada una de las cuales se conserva por separado excepto en las interacciones débiles . BaBar se centra en el estudio de la violación de CP en el sistema del mesón B. El nombre del experimento deriva de la nomenclatura del mesón B (símbolo B ) y su antipartícula (símbolo B , pronunciado B bar ). Por consiguiente, la mascota del experimento fue Babar el Elefante .

Si se cumple la simetría CP, la tasa de desintegración de los mesones B y sus antipartículas debería ser igual. El análisis de las partículas secundarias producidas en el detector BaBar demostró que esto no era así: en el verano de 2002, se publicaron resultados definitivos basados ​​en el análisis de 87 millones de eventos de pares de mesones B / B , que mostraron claramente que las tasas de desintegración no eran iguales. El experimento Belle del laboratorio KEK en Japón obtuvo resultados consistentes .

La violación de CP ya había sido predicha por el Modelo Estándar de la física de partículas y está bien establecida en el sistema de kaones neutros ( pares de mesones K / K ). El experimento BaBar ha aumentado la precisión con la que se ha medido experimentalmente este efecto. Actualmente, los resultados son consistentes con el Modelo Estándar , pero una investigación más profunda de una mayor variedad de modos de desintegración podría revelar discrepancias en el futuro.

El detector BaBar es un detector de partículas multicapa . Su gran cobertura de ángulo sólido (casi hermética ), la localización del vértice con una precisión del orden de 10 μm (proporcionada por un detector de vértice de silicio), la buena separación de piones y kaones a momentos de varios GeV (proporcionada por un novedoso detector Cherenkov ) y la calorimetría electromagnética con una precisión de pocos por ciento (cristales centelleantes de CsI(Tl)) permiten una lista de otras búsquedas científicas además de la violación de CP en el sistema de mesones B. ^{[ 1 ]} Son posibles los estudios de desintegraciones raras y las búsquedas de partículas exóticas y mediciones de precisión de fenómenos asociados con mesones que contienen quarks bottom y charm , así como fenómenos asociados con leptones tau . 

El detector BaBar dejó de funcionar el 7 de abril de 2008, pero el análisis de los datos continúa.

El detector BaBar es cilíndrico con la región de interacción en el centro. En la región de interacción, electrones de 9 GeV colisionan con antielectrones de 3,1 GeV (a veces llamados positrones ) para producir una energía de colisión en el centro de masas de 10,58 GeV, correspondiente a la resonancia ϒ (4S) . El ϒ (4S) decae inmediatamente en un par de mesones B – la mitad del tiempo B ⁺   B ⁻y la mitad del tiempo B ⁰B ⁰Para detectar las partículas, existe una serie de subsistemas dispuestos cilíndricamente alrededor de la región de interacción. Estos subsistemas son los siguientes, en orden desde el interior hacia el exterior:

• Rastreador de vértices de silicio (SVT)

Fabricado con 5 capas de tiras de silicio de doble cara, el SVT registra las trayectorias de las partículas cargadas muy cerca de la región de interacción dentro de BaBar.

• Cámara de deriva (DCH)

Más económico que el silicio, esta cámara de gas, con sus 40 capas de cables, detecta la trayectoria de partículas cargadas a un radio mucho mayor, lo que permite medir su momento. Además, la cámara de detección de partículas (DCH) también mide la pérdida de energía de las partículas al atravesar la materia. Véase la fórmula de Bethe-Bloch .

• Detector de luz Cherenkov reflejada internamente (DIRC)

El DIRC está compuesto por 144 barras de sílice fundida que irradian y enfocan la radiación Cherenkov para diferenciar entre kaones y piones .

• Calorímetro electromagnético (EMC)

Fabricado a partir de 6580 cristales de CsI , el EMC identifica electrones y antielectrones, lo que permite la reconstrucción de las trayectorias de partículas de fotones (y por lo tanto de piones neutros ( π ⁰)) y de "Kaones largos" ( K_L ), que también son eléctricamente neutros.

• Imán

El imán produce un campo de 1,5 T dentro del detector, que desvía las trayectorias de las partículas cargadas, lo que permite deducir su momento lineal.

• Retorno de flujo instrumentado (IFR)

El IFR está diseñado para devolver el flujo del imán de 1,5 T , por lo que es principalmente de hierro, pero también tiene instrumentación para detectar muones y kaones largos. El IFR está dividido en 6 sextantes y dos tapas de extremo. Cada sextante tiene espacios vacíos que contenían las 19 capas de cámaras de placas resistivas (RPC), que fueron reemplazadas en 2004 y 2006 por tubos de serpentina limitados (LST) intercalados con latón. El latón está ahí para agregar masa para la longitud de interacción, ya que los módulos LST son mucho menos masivos que las RPC. El sistema LST está diseñado para medir las tres coordenadas cilíndricas de una trayectoria: qué tubo individual fue impactado da la coordenada φ , en qué capa fue el impacto da la coordenada ρ , y finalmente los planos z en la parte superior de los LST miden la coordenada z . 

El 9 de octubre de 2005, BaBar registró una luminosidad récord ^de poco más de 1 × ^10³⁴ cm⁻² ^s⁻¹ proporcionada por el colisionador de positrones-electrones PEP-II . ^{[ 2 ]} Esto representa el 330 % de la luminosidad para la que fue diseñado PEP-II, y se produjo junto con un récord mundial de corriente almacenada en un anillo de almacenamiento de electrones de 1,73 A , junto con un récord de 2,94 A de positrones . "Para el experimento BaBar, una mayor luminosidad significa generar más colisiones por segundo, lo que se traduce en resultados más precisos y la capacidad de encontrar efectos físicos que de otro modo no podrían ver." ^{[ 3 ]}  

En 2008, los físicos de BaBar detectaron la partícula de menor energía en la familia de quarks bottomonio, η _b . El portavoz Hassan Jawahery dijo: "Estos resultados fueron muy esperados durante más de 30 años y tendrán un impacto importante en nuestra comprensión de las interacciones fuertes". ^{[ 4 ]}

En mayo de 2012, BaBar informó ^{[ 5 ]} que sus datos analizados recientemente podrían sugerir desviaciones de las predicciones del Modelo Estándar de la física de partículas. Los experimentos observan dos desintegraciones de partículas,${\displaystyle B\to D^{*}\tau \nu }$y${\displaystyle B\to D\tau \nu }$, ocurren con más frecuencia de lo que predice el Modelo Estándar. En este tipo de desintegración, un mesón B se desintegra en un mesón D o D*, un tau-leptón y un antineutrino. ^{[ 6 ]} Si bien la significancia del exceso (3,4 sigma) no es suficiente para afirmar una ruptura con el Modelo Estándar, los resultados son una señal potencial de que algo anda mal y es probable que impacten las teorías existentes. En 2015, los resultados de LHCb y el experimento Belle fortalecieron la evidencia (a 3,9 sigma) de posible física más allá del Modelo Estándar en estos procesos de desintegración, pero aún no alcanzan el nivel de significancia estándar de oro de 5 sigma. ^{[ 7 ]}

• Fábrica B
• oscilación B-Bbar

• "El experimento BaBar confirma la asimetría temporal" .
• Sitio web oficial de BaBar
• Página principal pública de BaBar
• Informe del anuncio de 2001 sobre la detección de una violación de CP Archivado el 23/02/2007 en Wayback Machine
• Vídeo de YouTube de la sala de control de BaBar, 30 de abril de 2007
• Registro del experimento BaBar en INSPIRE-HEP