Utilizamos cookies propias y de terceros para mejorar nuestros servicios y facilitarle el uso de la web mediante el análisis de sus preferencias de navegación. También compartimos la información sobre el tráfico por nuestra web a los medios sociales y de publicidad con los que colaboramos. Si continúa navegando, consideramos que acepta nuestra Política de cookies .

Actualidad científica

Síguenos
  • Google+
  • RSS
  • Investigación y Ciencia
  • Agosto 2017Nº 491
Panorama

Altas energías

Gratuito

¿Indicios de nueva física en el LHC?

Varios resultados independientes sobre desintegraciones de mesones B muestran persistentes desviaciones con respecto a las predicciones del modelo estándar.

Menear
El modelo estándar de la física de partículas describe con enorme precisión el comportamiento de los constituyentes elementales de la materia. Sin embargo, y a pesar de su belleza, simplicidad y espectaculares éxitos experimentales, sabemos que no puede ser una teoría completa: no solo no incluye la gravedad, sino que tampoco consigue explicar varias cuestiones fundamentales, como el origen de la asimetría entre materia y antimateria o la naturaleza de la materia oscura. Por esa razón, hace tiempo que los físicos pensamos que ha de existir una teoría más fundamental que el modelo estándar, a la que solemos referirnos con el apelativo genérico de «nueva física». Pero ¿existe algún indicio experimental que nos revele cómo podría ser dicha teoría? Desde hace cuarenta años, la respuesta a esta pregunta ha sido negativa.
 
Hace poco, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN y el acelerador japonés KEKB han obtenido resultados esperanzadores en esa dirección. Varios experimentos independientes han observado que la desintegración de ciertas partículas conocidas como mesones B no parece ajustarse a las predicciones del modelo estándar. En caso de confirmarse, tales anomalías supondrían un cambio de paradigma en la física fundamental.

 

Dos vías de exploración

En el LHC se aceleran protones hasta velocidades muy próximas a la de la luz y se hacen colisionar entre sí. Como producto de esos choques, se generan nuevas partículas que a su vez se desintegran en otras, las cuales llegan a los detectores. El análisis de esos productos de desintegración permite deducir en parte qué procesos físicos han tenido lugar en la colisión.

En este contexto existen dos vías para buscar indicios de nueva física. La primera es la llamada búsqueda directa, consistente en crear, a partir de la energía liberada en los choques, partículas hasta ahora desconocidas. Un ejemplo perfecto de dicha estrategia fue la búsqueda del bosón de Higgs. Sin embargo, este método se encuentra fuertemente limitado por la energía disponible para generar la nueva partícula.

La segunda vía son las búsquedas indirectas, las cuales se basan en estudiar con detalle ciertas desintegraciones. Si en ellas intervienen partículas virtuales distintas de las del modelo estándar, las observaciones no concordarán por completo con las predicciones de este. Esta técnica cuenta con la ventaja de que, para «crear» una partícula virtual, no hace falta disponer de toda la energía equivalente a la masa de la partícula, sino que basta con energías menores. No obstante, no podremos determinar de forma unívoca de qué partícula se trata, sino solo algunas de sus características.

Algunas partículas hoy bien conocidas, como los quarks c o t, fueron detectadas primero por esta segunda vía. La existencia del quark c, por ejemplo, fue predicha en 1970 debido a que no se observaba la desintegración de un kaón en un muon y un antimuón, la cual en principio debía producirse. Dicha ausencia podía explicarse por la mediación de un quark c virtual. Más tarde, en 1974, la partícula fue descubierta mediante búsqueda directa.

Física exótica en mesones B

Un ejemplo prominente de estas búsquedas indirectas lo hallamos en las desintegraciones raras de mesones Bd. Estas partículas, formadas por un antiquark b y un quark d, pueden desintegrarse para dar lugar a distintos productos finales, algunos de los cuales solo se generan un pequeñísimo porcentaje de las veces. Ello convierte a estos modos de desintegración en candidatos ideales para observar posibles efectos de nueva física, que, de otra forma, quedarían enmascarados por los procesos dominantes del modelo estándar.

Un caso de especial importancia son las ocasiones en las que un mesón Bd se desintegra en una partícula llamada K*0, un muon y antimuón. Sin embargo, el estudio teórico de este proceso reviste varias complicaciones, ya que requiere tener en cuenta el intercambio de gluones y quarks en un régimen en el que sus efectos resultan muy difíciles de calcular. Estas incertidumbres se conocen con el nombre de «incertidumbres hadrónicas».

En 2005, en colaboración con Frank Krüger, de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Múnich, y posteriormente en 2012 y 2013, junto con otros investigadores, propusimos un nuevo tipo de observables (cantidades medibles en los experimentos) para analizar esta desintegración superando los esquemas tradicionales. Dichos observables se basaban en estudiar de una manera precisa la distribución angular de las partículas producidas en la desintegración, así como su energía. Su ventaja residía en que proporcionaban mediciones mucho más sensibles a las posibles contribuciones de nueva física, ya que, por construcción, evitaban algunas de las incertidumbres hadrónicas mencionadas.

En 2013, el experimento LHCb, uno de los cuatro grandes detectores del LHC, analizó la desintegración de mesones Bd atendiendo a los criterios propuestos en nuestros trabajos. Con datos correspondientes a un billón (1012) de colisiones protón-protón, los resultados asociados al observable que habíamos bautizado como P5' mostraron una diferencia de 3,7 desviaciones estándar con respecto a las predicciones del modelo estándar: en otras palabras, la probabilidad de obtener dicho resultado sin recurrir a nuevos fenómenos físicos era del 0,02 por ciento. Esto tuvo un fuerte impacto en la comunidad, acostumbrada a encontrar un excelente acuerdo entre los experimentos y las predicciones del modelo estándar.

La anomalía persiste

En aquel momento se barajaron dos posibilidades: o bien un problema en el cálculo de las incertidumbres hadrónicas, o bien que todo se debiese a una fuerte fluctuación estadística (del estilo de lanzar 12 monedas y obtener 12 caras seguidas: algo muy poco probable, pero no imposible).

La primera posibilidad apuntaba a dos tipos de argumentos: algún problema en la precisión en los cálculos que se usaban para describir la desintegración, o algún tipo de corrección desconocida y muy difícil de calcular asociada a procesos virtuales con quarks c. Fue relativamente sencillo demostrar que la precisión de los cálculos era la correcta. En cuanto al segundo argumento, si bien es imposible descartarlo por completo, más tarde apareció un resultado experimental inesperado que lo hacía poco plausible.

La posibilidad de que se tratase de una fluctuación estadística quedaba en manos de los experimentos posteriores: de ser el caso, la acumulación de nuevos datos (el lanzamiento de más monedas, en el ejemplo anterior) haría que poco a poco los resultados convergiesen hacia las predicciones del modelo estándar.

En 2015, LHCb presentó un nuevo análisis del observable P5', esta vez con datos correspondientes a tres billones de colisiones protón-protón. Los resultados exhi­bieron la misma desviación que en 2013. Un año después, el experimento Belle, en el acelerador japonés KEKB, volvió a confirmarla. Y el pasado mes de abril, los experimentos ATLAS y CMS, otros dos detectores del LHC, mostraron en sendos resultados muy preliminares que también podían llevar a cabo tales medidas, especialmente complejas en este tipo de detectores. Los resultados de ATLAS parecen estar en línea con los del resto de los experimentos, mientras que CMS es el único que ha hallado un mejor acuerdo con el modelo estándar. Ambos análisis, aún sin publicar, se encuentran en estos momentos bajo revisión.

En cuanto a las diferencias existentes entre estos experimentos, cabe señalar que hay dos grandes estrategias para estudiar las desintegraciones de mesones B. Las llamadas «fábricas de B», como Belle, hacen colisionar electrones y positrones con la energía justa para producir grandes cantidades de mesones B (al tratarse de partículas verdaderamente elementales, los choques entre electrones y positrones producen resultados mucho más limpios que los choques entre protones). El segundo método se basa en emplear colisionadores de hadrones, como el LHC, que, al hacer chocar partículas mucho más masivas que los electrones, pueden alcanzar energías más elevadas.

En lo que se refiere al LHC, el detector LHCb fue diseñado para identificar con gran precisión tanto los mesones B como sus productos de desintegración. ATLAS y CMS, basados en una tecnología muy distinta, cuentan también con un interesante programa de estudio de mesones B, si bien no pueden analizar su desintegración en electrones, un aspecto clave por lo que veremos a continuación.

Info-Panorama-Matias.jpg

JULIA MATIAS Y JANA MATIAS (diagramas)


Otro resultado inesperado

En 2014, antes de que se publicasen los últimos datos relativos a las desintegraciones de mesones Bd, otro resultado de gran importancia llegó, de nuevo, del experimento LHCb. Se trataba de la medida de un observable distinto: el cociente entre el número de desintegraciones de un mesón B+ en un kaón K+ y en una pareja muon-antimuón, y el número de desintegraciones en el mismo kaón y una pareja electrón-positrón.

El muon puede entenderse como una versión pesada del electrón: su masa es unas 200 veces mayor, pero por lo demás ambas partículas son muy similares. Dado que las energías aquí implicadas son mucho mayores que la masa del muon o del electrón, ambas desintegraciones (en muones o en electrones) deberían mostrar prácticamente el mismo comportamiento. Por tanto, el número de desintegraciones de mesones B+ en muones debería ser casi idéntico al de desintegraciones en electrones. Sin embargo, los datos de LHCb mostraron un déficit de muones considerable: por cada 100 desintegraciones en electrones, solo se observaron unas 75 en muones.

Las implicaciones de este resultado eran profundas. En primer lugar, la predicción teórica de este observable es muy limpia, ya que básicamente todas las incertidumbres hadrónicas se anulan entre sí, lo que invalida cualquier argumento basado en tales incertidumbres para explicar este tipo de observables. En particular, los procesos con quarks c virtuales a los que habíamos aludido más arriba quedaban descartados también, ya que en este caso sus efectos se cancelan exactamente. Por último, la misma explicación de nueva física que permitía dar cuenta de las primeras anomalías en P5' también podía explicar las nuevas, siempre y cuando los efectos de nueva física afectaran más a los muones que a los electrones (como los datos apuntaban), lo que ponía en jaque los argumentos basados en las incertidumbres hadrónicas.

El pasado 18 de abril, el CERN anunció los primeros resultados de la medida de un observable similar: el cociente entre el número de desintegraciones de Bd en K*0 y una pareja muon-antimuón, y el del proceso correspondiente con electrón-positrón. Una vez más se observaron valores inferiores a la unidad, coherentes con los anteriores y con una significancia estadística similar.

Análisis global de observables

¿Cómo podemos saber si todas estas anomalías, caracterizadas por diferencias de entre 2,5 y 3 desviaciones estándar con respecto a las predicciones del modelo estándar, constituyen indicios genuinos de nueva física? La herramienta principal para discernirlo es lo que denominamos un análisis global de observables.

Los observables que han de incluirse en este examen son todas aquellas desintegraciones de mesones B que están gobernadas por la misma conversión de un antiquark b en un antiquark s y dos leptones (electrones o muones) o un fotón. Todas ellas quedan parametrizadas por ciertas cantidades, llamadas coeficientes de Wilson, las cuales permiten encapsular los posibles efectos de nueva física.

En este análisis se comparan dos hipótesis para explicar los datos: que los efectos observados se deban exclusivamente al modelo estándar, o que haya contribuciones debidas a nuevos procesos físicos. Si los datos quedan mejor descritos por una determinada hipótesis de nueva física, obtendremos una significancia estadística elevada con respecto a las predicciones del modelo estándar. Si la significancia es baja, quiere decir que la hipótesis de nueva física considerada no explica mejor los datos y hay que descartarla.

Según los resultados de nuestro equipo de investigación, publicados el pasado 18 de abril en el repositorio de artículos científicos arXiv, el modelo estándar queda desfavorecido en este análisis global por más de 5 desviaciones estándar con respecto a la hipótesis de nueva física propuesta. Por su parte, la violación de la universalidad leptónica está favorecida con respecto a la de universalidad (que muones y electrones se comportan igual) por más de 3 desviaciones estándar, en función de la hipótesis de nueva física.

Posibles explicaciones

Estas intrigantes anomalías admiten varias explicaciones en términos de nueva física. Una de las que mejor describirían los datos sería la existencia de una nueva partícula, apodada en términos genéricos «bosón Z'», la cual sería similar al familiar bosón Z (el mediador neutro de la interacción electrodébil) pero responsable de una nueva fuerza de la naturaleza. Un gran número de propuestas teóricas para extender el modelo estándar predicen desde hace tiempo la existencia de este tipo de partículas.

Otra opción sería la existencia de «leptoquarks», una nueva clase de partículas que tendrían carga tanto fuerte como electrodébil y que mediarían entre leptones y quarks. Dichas partículas han sido predichas por algunos modelos de unificación, entre otras propuestas teóricas.

El futuro de este campo se antoja emocionante y prometedor. Tanto LHCb como Belle II, el sucesor de Belle, tienen previsto realizar una larga lista de mediciones complementarias para confirmar o descartar la violación de la universalidad leptónica. El último paso consistirá en buscar de forma directa las hipotéticas nuevas partículas en los detectores ATLAS, CMS o ambos, suponiendo que el LHC pueda aportar la energía suficiente para producirlas.

En caso de confirmarse estos indicios experimentales nos hallaríamos a las puertas de una nueva era en física fundamental. Con todo, por el momento solo cabe ser prudentes y aguardar con paciencia los resultados que la colaboración LHCb hará públicos durante los próximos meses.

Puede conseguir el artículo en:

Artículos relacionados

Revistas relacionadas

BOLETÍN ACTUALIDAD¿Quieres estar al día de la actualidad científica? Recibe el nuevo boletín de actualidad con nuestros mejores contenidos semanales gratuitos (noticias y posts). Si lo deseas también puedes personalizar tu suscripción. BOLETÍN ACTUALIDAD¿Quieres estar al día de la actualidad científica? ¡Recibe el nuevo boletín de contenidos gratuitos! Ver más boletines.