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26 de Marzo de 2021
Altas energías

El LHC sigue hallando indicios de nueva física

Los muones y los electrones podrían no experimentar las mismas interacciones fundamentales, en contra de lo que predice el modelo estándar.

Las inusuales desintegraciones de un mesón B en un kaón y un par electrón-positrón que ha estudiado el experimento LHCb insinúan diferencias entre el electrón y el muon (más allá de su masa) que podrían deberse a la existencia de nuevas partículas. [CERN]

Si la belleza está en los ojos de quien la contempla, consideremos un nuevo y prometedor resultado que ha cautivado a los físicos de partículas de todo el mundo. En concreto, los científicos están interesados en los nuevos datos del detector LHCb (cuya b significa beauty, «belleza») del Gran Colisionador de Hadrones. Este experimento estudia las desintegraciones de los mesones B, partículas que contienen quarks belleza (b, también conocidos como fondo, o bottom).

El pasado martes, durante una de las sesiones virtuales de la conferencia anual Rencontres de Moriond, cerca de 1000 físicos vieron cómo la colaboración del LHCb anunciaba indicios de una discrepancia inexplicada entre el comportamiento de los electrones y el de sus parientes más pesados, los muones.

Según el modelo estándar —la teoría que describe las partículas elementales y las fuerzas que experimentan, salvo la gravedad—, los electrones y los muones (dos tipos o «sabores» de leptones) son idénticos excepto por su masa. Por lo tanto, los mesones B deberían desintegrarse en un kaón y dos muones (una pareja muon-antimuon, siendo más precisos) con la misma probabilidad que en un kaón y dos electrones.

Sin embargo, el LHCb ha observado una diferencia en esta rara desintegración del quark belleza: Los mesones B parecen desintegrarse en muones con una frecuencia un 15 por ciento menor que en electrones.

«Sin duda, esta nueva medición es intrigante», asegura Monika Blanke, física teórica del Instituto de Tecnología de Karlsruhe que no participó en la investigación. «Si acabamos obteniendo una confirmación experimental, significará que realmente hay algo más allá del modelo estándar que trata los sabores de los leptones de forma distinta.»

Los físicos se han preguntado durante mucho tiempo si los muones, electrones y taus (otro tipo de leptones) poseen diferencias aparte de su masa, y el último resultado del LHCb sugiere que la respuesta podría ser afirmativa. El hallazgo tiene una significación estadística de 3,1 sigmas, por encima del valor mínimo que se exige en física de partículas para poder hablar de indicios.

En términos más precisos, una significación de 3,1 sigmas implica que, si no existiera nueva física, las fluctuaciones estadísticas llevarían a los investigadores a medir una discrepancia de al menos el 15 por ciento entre electrones y muones aproximadamente una de cada 1000 veces que realizaran el experimento.

Aunque eso parece sugerir que la diferencia observada es con casi total seguridad algo más que un espejismo, el efecto aún está muy lejos del patrón oro de los descubrimientos en física de partículas: se precisan cinco sigmas, lo que indica que habría que realizar el experimento más de 3,4 millones de veces antes de observar una casualidad estadística semejante.

¿Por qué tanto alboroto con las estadísticas? A lo largo de los años, el LHCb y otros experimentos han registrado numerosas discrepancias entre electrones y muones con una significación de dos y tres sigmas. Pero hasta ahora, ninguno de esos resultados ha perdurado: cuando se obtuvieron más datos, las diferencias entre los leptones desaparecieron y el modelo estándar salió triunfante.

«Si se tratara de una única observación, no estaría muy emocionado. Ya he visto desvanecerse otras anomalías», señala Gino Isidori, físico teórico de la Universidad de Zúrich que no participó en la investigación. Pero el último resultado del LHCb le parece alentador porque se suma a otras mediciones que también insinúan diferencias entre los electrones y los muones. Para Isidori y otros físicos de partículas, es motivo suficiente para albergar un cauto entusiasmo.

Un bello resultado

Situado en la frontera entre Francia y Suiza, el LHCb es uno de los múltiples detectores situados lo largo del anillo de 27 kilómetros del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Aunque el LHCb también examina los resultados de las colisiones protón-protón, se centra en desintegraciones muy poco frecuentes, como las de los mesones B.

Vista general del experimento LHCb. [<a href="https://cds.cern.ch/images/OPEN-PHO-EXP-2018-004-1" target="_blank">CERN</a>]

«Las desintegraciones raras constituyen una manera distinta de buscar partículas pesadas», explica Patrick Koppenburg, físico de partículas del LHCb. En vez de estrellar unos protones contra otros y tratar de hallar señales de nuevas partículas entre los restos, como hizo el LHC en su colosal y exitosa búsqueda del bosón de Higgs, el LHCb estudia pequeñas variaciones en eventos inusuales.

Así, la desintegración de un mesón no genera nuevas partículas (los muones y los kaones son viejos conocidos), pero la frecuencia con que se produce puede depender de partículas pesadas aún por descubrir que afectan al resultado entre bastidores. En los años 60, por ejemplo, las desintegraciones raras de los kaones insinuaron la existencia del quark encanto antes de que se descubriera de forma directa. El LHCb está diseñado para encontrar este tipo de agujas en el pajar. Aun así, el trabajo es difícil y está lleno de incertidumbres experimentales.

También hay que tener en cuenta las incertidumbres teóricas, que afectan a las predicciones del modelo estándar con las que los investigadores comparan sus resultados. Parte de la emoción en torno al último anuncio del LHCb se debe a que esa desintegración concreta del mesón B es muy «limpia», es decir, tiene una incertidumbre teórica muy pequeña. Eliminar una fuente de error hace que resulte mucho más fácil dilucidar si la diferencia entre los electrones y los muones es real.

Desde que se formuló el modelo estándar en la década de 1970, los físicos teóricos han propuesto modelos que buscan explicar esa diferencia a partir de una nueva partícula. Dos de las principales candidatas son el Z' (pronunciado «zeta prima»), una variación del bosón Z, y el leptoquark, una partícula que conectaría los leptones y los quarks. En los próximos días y semanas, los teóricos usarán los recientes resultados para actualizar sus modelos y, de hecho, menos de 24 horas después del anuncio del LHCb ya habían aparecido tres nuevos artículos en un repositorio de prepublicaciones.

Pero la física de esta desintegración rara dista mucho de estar bien establecida, y se necesitarán muchos más datos para poder afirmar que la responsable de la discrepancia es una nueva partícula. La mejor opción para verificarlo la proporcionará Belle II, un experimento japonés. Mikihiko Nakao, investigador que participa en Belle II, prevé que tardará unos cinco años en alcanzar la sensibilidad del LHCb.

Ahora mismo el LHCb está parado mientras se realizan labores de mantenimiento. Pero cuando vuelva a ponerse en marcha el año que viene, con un detector mejorado, podría reunir la misma cantidad de datos que se han obtenido en la última década en tan solo un año, de acuerdo con Koppenburg. En abril, los nuevos resultados de Muon g-2, un experimento que se desarrolla en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, en los alrededores de Chicago, también podrían arrojar luz sobre las diferencias entre los leptones.

Los físicos son conscientes de que es muy posible que este último resultado, una anomalía en los datos, sea solo una fluctuación estadística. Tras varias decepciones, ahora se cubren las espaldas e intentan abstenerse de transmitir certidumbre o una emoción exagerada.

Pero si es real, sería un resultado muy bello.

Daniel Garisto

Referencia: «Test of lepton universality in beauty-quark decays», colaboración del LHCb en arXiv:2103.11769 [hep-ex], 22 de marzo de 2021.

Más información en la página web del CERN.

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