Sobre los primeros indicios de “nueva física” en los mesones B observados por LHCb

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La noticia “Primeros indicios experimentales de una nueva física más allá del modelo estándar,” Agencia SINC, 31 Jul 2013, ha colmado muchos medios. “Físicos de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) y del CNRS francés han predicho desviaciones en la probabilidad de una de las desintegraciones del mesón B que han sido detectadas en el acelerador LHC del CERN. Su confirmación será la primera prueba directa de la existencia de la “nueva física” [más allá del] modelo estándar de las partículas.” La predicción de Joaquim Matias y Javier Virto de la UAB, y Sébastien Descotes-Genon (CNRS / Université Paris-Sud) “ha sido confirmada el 19 de julio pasado en la conferencia internacional de física de partículas EPS 2013 de Estocolmo (Suecia); los resultados del análisis de LHCb apuntan a una desviación respecto a la predicción del modelo estándar de 4,5 sigmas.” Se han observado varias “desviaciones que muestran un patrón coherente que permite identificar su origen en una única fuente. Hay que ser prudentes, porque serán necesarios más estudios teóricos y más medidas experimentales para confirmarlo. Uno de los modelos de nueva física que podría explicar estos resultados sería el que postula la existencia de una nueva partícula llamada Zprima, pero podría haber muchos otros modelos compatibles.”

Lo primero, las fuentes. El artículo teórico es Sebastien Descotes-Genon, Joaquim Matias, Javier Virto, “Understanding the B→K*μ+μ- anomaly,” arXiv:1307.5683; la charla que presenta el nuevo resultado es Nicola Serra (LHCb collab.), “Studies of electroweak penguin transitions of b→sμμ,” EPS-HEP Conference, Stockholm, July 2013 [slides]; discute el resultado el propio Joaquim Matias, “Optimizing the basis of B→K* l+l- observables and understanding its tensions,” EPS-HEP Conference, Stockholm, July 2013 [slides]. Un poco de crítica en la blogosfera en Tommaso Dorigo, “A four-sigma evidence of new physics in rare B decays found by LHCb, and its interpretation,” A Quantum Diaries Survivor, July 24, 2013, y en Lubos Motl, “LHCb: 3- or 4-sigma excess of B-mesons’ muon decays,” The Reference Frame, Jul 25, 2013.

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Los datos de ATLAS, CMS y LHCb indican que las desintegraciones de los mesones B se comportan como predice el modelo estándar. Sin embargo, en el análisis de un canal concreto de desintegración se pueden introducir múltiples parámetros (observables). Las reglas básicas de la estadística dicen que si se introducen muchos parámetros aparecerán desviaciones (en unos parámetros por exceso y en otros por defecto) incluso cuando el resultado combinado se ajuste muy bien a los datos.

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En la desintegración a cuatro cuerpos B→K*μμ, con K*→Kπ, se puede introducir una plétora de observables (la palabra “plétora” no es una exageración mía, aparece en la primera frase del artículo arXiv:1307.5683). Sin entrar en detalles técnicos, Descotes-Genon, Matias y Virto introducen 8 observables llamados P1, P2, P4′, P5′, P6′, P8′, AFB y dΓ/dq² (de hecho, hay muchas otras posibilidades, como usar P3 en lugar de P8′, con más y con menos parámetros). Al analizar estos parámetros por separado con 1/fb datos de colisiones a 7 TeV c.m. obtenidas en 2011 en el experimento LHCb (en ATLAS y CMS es muy difícil hacer este análisis), algunos de ellos muestran grandes desviaciones respecto a las predicciones del modelo estándar (de hasta 4,5 sigmas locales). Todavía es pronto para gritar a los cuatro vientos el descubrimiento de “nueva física” y habrá que confirmar estas desviaciones con el análisis de los 2 /fb de datos de colisiones a 8 TeV c.m. obtenidas en 2012 en el experimento LHCb. Aún resultando pesado, quiero destacar que unas desviaciones son por exceso y otras son por defecto, pero se compensan y el resultado combinado es consistente con el modelo estándar.

¿Qué valor tiene un análisis por separado de ocho parámetros de una desintegración consistente con el modelo estándar? En opinión de Descotes-Genon et al., una primera señal de “nueva física” más allá del modelo estándar podría estar oculta en las desviaciones de varios parámetros si muestran un cierto patrón regular y no son debidas al azar. Estas desviaciones de varios parámetros consistentes entre sí podrían mostrar una primera señal de “nueva física” incluso cuando está oculta en el análisis combinado de la desintegración. Por supuesto, una desviación de un sólo parámetro no es suficiente, de hecho, si fuera muy grande, el resultado combinado debería mostrar dicha desviación. Lo importante es que “haya desviaciones que muestran un patrón coherente que permite identificar su origen en una única fuente.”

Dibujo20130802 delta-c7 and delta-c9 deviations from SM with data lhcb

¿Qué desviaciones se han observado en LHCb? No hay desviación en P1 y P4′ (aunque tienen mucho error experimental) y hay desviaciones muy pequeñas en P6′ y P8′ respecto al modelo estándar. Hay una desviación por defecto en P2 con 2,9 y 1,7 sigmas en los bins segundo y tercero, resp., que viene acompañada de una desviación en AFB. Lo más llamativo (motivo de la noticia en muchos medios) es una gran desviación por exceso en P5′ con 4,0 y 1,6 sigmas en los bins tercero y segundo, resp. (ver la parte izquierda de la figura que abre esta entrada). En general todas estas desviaciones se pueden entender como que alguno de los dos parámetros de “nueva física” llamados δC7 y δC9 sea negativo (o que lo sean los dos), en lugar de ser nulos (como predice el modelo estándar); en concreto, el mejor ajuste a 1 sigma requiere δC7∈[-0,04, -0,01] y δC9∈[-1,2, -0,5].

En resumen, conforme se acumulen datos en los experimentos del LHC la búsqueda de “nueva física” se hará mucho más refinada y los análisis multiparamétricos serán bastante habituales, pero por ahora hay pocas colisiones analizadas, la señal observada es poco confiable y la interpretación del nuevo resultado que aparece en muchas noticias está sesgada por el intenso deseo de encontrar señales de “nueva física” hasta debajo de las piedras en las que está apoyado el LHC.

Por supuesto, cuando se analice estos parámetros con los 3 /fb de colisiones en LHCb acumuladas en 2011 y 2012, podrás leer una nueva entrada en este blog sobre este asunto. Espero equivocarme, pero creo que algunas de estas desviaciones desaparecerán.


12 Comentarios

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planck

En mi opinión tomar un proceso de desintegración cuyos valores son perfectamente consistentes con el SM, desglosarlo en una “plétora” de observables sabiendo que ese proceso aumenta considerablemente la posibilidad de obtener fluctuaciones respecto al SM y elegir 8 de ellos para obtener en torno a 4 sigmas de desviación local me parece un intento desesperado de publicidad y sensacionalismo de algunos equipos del LHC. Es triste que tengamos que llegar a esto, no digo que estos análisis no tengan que hacerse sino que no deben venderse con esos titulares tan extremadamente sensacionalistas. Probablemente la sombra del “escenario pesadilla” está haciendo mella en la moral de los científicos, muchos esperaban ver cosas nuevas y revolucionarias. Todos estamos ansiosos de ver nueva física, tenemos muchos experimentos que en cualquier momento pueden darnos pistas en este sentido, quizás la nueva física es más sutil e interesante de lo que pensamos, por eso nos está costando más de lo previsto encontrarla. Por ejemplo, la materia oscura puede consistir en todo un nuevo sector de partículas incluso con nuevas fuerzas e interacciones desconocidas, si fuera así, la espera merecería la pena ya que el premio sería mucho más interesante que encontrar una partícula aislada…

emulenewsemulenews

No, Planck, creo que te equivocas. Este tipo de estudios serán muy habituales en el futuro. Lo que está claro es que la nueva física no nos va saltar delante de las narices (como pasó con el muón). Hay que buscarla en lugares muy recónditos. Será un proceso muy duro y requerirá décadas de trabajo. Sabemos que tiene que existir, pero quizás está “bailando” a una escala de energías mucho más lejos de lo que podremos explorar en el siglo XXI. Por tanto, la única opción es observar sus sutiles huellas en lo más profundo del modelo estándar, donde nadie las ha mirado aún.

planck

O sea que según tu opinión el “escenario pesadilla” es ya prácticamente un hecho y la única forma de estudiar la nueva física que se esconde a enormes escalas de energía es estudiar sus posibles huellas a la escala accesible por el LHC. Con todos mis respetos, espero de verdad que te equivoques pues eso significaría probablemente que nadie de los aqui presentes la veremos en nuestra vida. Por descontado, si la materia oscura esta hecha de partículas de alti

planck

Perdón, repito mi comentario:
O sea que según tu opinión el “escenario pesadilla” es ya prácticamente un hecho y la única forma de estudiar la nueva física que se esconde a enormes escalas de energía es estudiar sus posibles huellas a la escala accesible por el LHC. Con todos mis respetos, espero de verdad que te equivoques pues eso significaría probablemente que nadie de los aquí presentes la veremos en nuestra vida. Por descontado, si la materia oscura está hecha de partículas de altísima energía como los neutrinos dextro ya nos podemos dedicar a otra cosa. Soy consciente de que es muy posible que la naturaleza haya escondido parte de sus secretos cerca de la escala de Planck pero me parece muy pronto para descartar encontrar nuevas partículas directamente bien cuando el LHC funcione a 13-14 TeV o bien a partir de experimentos de detección de materia oscura. Quizás peco de ingenuo o de poco realista pero hay muchos modelos que aún predicen nuevas partículas a la escala accesible por el LHC.

emulenewsemulenews

Planck, como ya te he comentado en alguna que otra ocasión, no entiendo la palabra “pesadilla” en este contexto. El modelo estándar contiene tantas cosas que aún no han sido descubiertas (que podemos llamar “nueva física dentro del SM”) que pretender ir más allá sin haberlo explorado y explotado en su totalidad no tiene mucho sentido. En mi modesta opinión.

AlbertAlbert

Un comentario: los equipos de LHC (o LHCb, para ser más concretos), no tienen nada que ver con eso, ya que ellos únicamente han hecho las medidas y en ningún momento se ha dicho que eso pueda ser nueva física. De hecho, en la referencia que falta en este articulo, la charla de LHCb sobre el tema en EPS (https://indico.cern.ch/getFile.py/ac...nfId=218030), se indica que hay una pequeña desviación pero siempre se dice que todo es según el Modelo Estándar.

Sin embargo, está claro que los fenomenólogos que trabajan en el tema tienen que analizar los datos que hay, y por lo tanto extraen sus conclusiones, (seguramente un tanto optimistas). El hecho de que haya que seleccionar un determinado rango de q2 para obtener esta desviación (en el rango completo estudiado por LHCb la significancia es claramente menor) me hace ser escéptico con el tema, al menos hasta que se hayan analizado los 3/fb de datos de LHCb. En cualquier caso, si se desglosa el proceso en una plétora de observables y se observa una desviación, si el análisis estadístico es correcto no hay motivo para poner en duda el resultado…

emulenewsemulenews

Gracias, Albert. Yo soy de la misma opinión, este nuevo resultado acabará siendo olvidado (como tantas otras señales a 4 y pico sigmas locales en los últimos 40 años).

notengoniideanotengoniidea

En el último gráfico no entiendo el código de colores amarillo, verde y rojo y la leyenda explicativa de los límites de confianza, o está mal o se me escapa algo.

En todo caso, ¿los parámetros de “nueva física” c7 y c9 de dónde salen? ¿son algún tipo de combinación de los observables esos (Pi, etc…)?

emulenewsemulenews

Exacto. Otra parametrización (más famosa) que se basa en un lagrangiano efectivo; estos Ci con i=7,9,10 se llaman coeficientes de Wilson. El artículo técnico lo aclara en el primer párrafo (pero es algo técnico si no sabes QFT).

amarashiki

Lo comenté con Dorigo y Strassler en facebook. Me ha parecido que ha habido más “fuegos artificiales” en la blogosfera y los medios “populistas” que entre los expertos. Pero que algunos blogs y sitios de divulgación “picarán”, me pareció peligroso (en especial porque varios de ellos se contradecían entre sí).
La “nueva física” está muy bien escondida, eso parece que es un hecho. Por supuesto, siempre habrá alguno/a que piense que a 14 TeV van a salir cosas que no han salido a 8 TeV. Es posible, en especial por el salto en luminosidad, pero soy escéptico.
Concuerdo contigo Francis en dos cosas:
1) Hay muchas predicciones del modelo estándar que aún no están testadas: el monopolo electrodébil (o alguna de sus variantes), el scattering coherente de neutrino núcleo por corriente neutra (vía intercambio del Z), incluso en QED aún no se ha visto el efecto Schwinger de producción de partículas por un campo fuerte (análogo al efecto Hawking en campos gravitatorios intensos), y otros varios fenómenos.
2) Lo del escenario “pesadilla” es como siempre algo que depende del observador y del “referencial”. Para muchos que han trabajado “sólo” en SUSY y en supercuerdas, el no encontrarlas o el que no se encuentre una partícula supersimétrica como candidata a materia oscura será un desencanto, pero volverá la física más divertida ya que será necesaria creatividad y revisar otras ideas que hasta ahora no han sido demasiado consideradas (nunca se sabe, siempre pueden volver los preones si el Higgs es un impostor compuesto…). Lo que para unos es pesadilla, para otros es “un sueño” porque permitirá “hacer física” e “inventar”. Otros han vivido con “la cuerda en el cuello” mucho tiempo. Es tiempo tal vez, de que el approach de cuerdas deje también espacio para nuevas ideaso el revival de antiguas ideas que históricamente no admitían.

Planck, la Ciencia no es ficción-ciencia ni ciencia-ficción. Es otra cosa. Hay que admitir que la idea de las dimensiones adicionales y otras ideas está muy bien, pero ¿y si han estado equivocadas o al menos erradas en esa forma?¿Y si, como el otro día me comentaba Matt Strassler-y yo comparto esta opinión desde el 2004, aproximadamente- estamos haciendo las preguntas equivocadas o enfocando las cuestiones o teorías de forma incorrecta (la naturalidad parece el ejemplo más reciente, aunque ya había razones para sospechar por el descubrimiento de la energía oscura en 1998)? No dudo de la potencia de la maquinaria supersimétrica o de las supercuerdas, simplemente digo que se ha fiado mucho siempre a esa teoría cuando la Naturaleza no da signos de ella en nada todavía. Ni siquiera tenemos una teoría de gravedad cuántica “funcionando” que nos la relacione con las otras fuerzas. Cuerdas/M-theory es un gran intento, pero no debe ser un dogma para probar otras cosas. Hay demasiadas cosas que no “cuadran” en los datos, aunque el SM y la GR aún aguantan bien las embestidas. Eso no puede dudarse a la luz de los datos del LHC…

joaquinmaldonado

En mi humilde opinión, la nueva física tal vez deba mirar más a la naturaleza y menos a analizar e interpretar millones de datos del LHC y otras instalaciones de alta tecnología. Cuando se miran esos experimentos eligiendo e interpretando los resultados en base a las teorías y premisas que tenemos, es dificil encontrar algo que nos sorprenda, y más dificil cuanto más complejos y sujetos a multiples variables son los experimentos.
La materia y la energía oscura, los neutrinos de alta energía, las anomalias de las naves Pionner, no se han encontrado en los laboratorios, y son este tipo de descubrimientos los que ponen en evidencia la necesidad de buscar nuevas bases sobre las que cimentar la física y la cosmología.
Hace años que me planteo qué hay detrás de las constantes de la física y de las leyes que rigen el funcionamiento del universo más allá de las formulaciones matemáticas que no dejan de ser la descripción de lo que pasa en el universo y como se comporta éste, pero no termina de decirnos el porqué de las mismas.
Dándole vueltas a este tema, se me ocurrió una idea que por lo que he leído es novedosa, si bien no del todo nueva, pues no son nuevas algunas de las ideas que incluye como: la plasticidad del espacio y su expansión, o la creación continua del espacio, ni la idea de que las partículas que hasta ahora eran consideradas fundamentales (como por ejemplo los electrones) estén formadas por otras componentes básicas que son a su vez la misma componente para la materia y la energía.
He ido desarrollando esta idea que en principio podría parecer una locura, para comprobar hasta qué punto es o no compatible con lo que conocemos de la materia la energía y la estructura y evolución del universo. Mi sorpresa ha sido comprobar que no solo no he encontrado incompatibilidades entre esta idea y el mundo que observamos, sino que a grandes rasgos no solo parece ser compatible con la estructura y las leyes de la materia y la energía, y con la estructura y aparente evolución del universo, sino que además siguiendo su lógica se llega a la necesidad de que se den hechos como la expansión acelerada del universo (energía oscura) o variaciones de la gravedad cuando ésta se estudia en niveles de gravedad muy baja (problema de la energía oscura o anomalías de las naves pionner).). Y además hace predicciones que pueden ser comprobadas, de manera que se confirmase o refutase este principio.
No pretendo que esta idea que he desarrollado sea la respuesta a los desafíos que tiene hoy en día la física, pero sí estoy convencido de que son planteamientos tan radicales como éste sobre la naturaleza misma del universo y de la estructura espacio-tiempo, capaces de hacer ver el mundo con o otros ojos, los que harán avanzar a la física, y no las grandes instalaciones tecnológicas (sin negar su utilidad por supuesto). Así sucedió con la teoría de la relatividad de Einstein, y con todas las grandes revoluciones de la física, nacieron en la mente de alguien al observar el mundo de otra forma.
Adjunto un vínculo a un resumen de la idea de la que hablo por si alguien tiene curiosidad.
http://joaquinmaldonado.wordpress.co...las-fuente/

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