LHCb resuelve el problema de la vida media de los hadrones bellos

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En física de partículas hay algunas discrepancias entre la teoría y el experimento. El LHC del CERN está resolviendo la mayoría de estos problemas. Según la teoría, la vida media de un hadrón que contiene un quark b (por beauty o bottom) y otros quarks de menor masa debe estar determinada por la masa del quark bello. En 2003 un experimento observó una discrepancia a casi 4 sigmas; en 2004 otro la confirmó a 6 sigmas. ¿Falla la teoría? ¿Se oculta nueva física? El experimento LHCb ha resuelto este problema confirmando la teoría en su último artículo: LHCb collaboration, “Precision measurement of the ratio of the Λb to B lifetimes,” arXiv:1402.6242 [hep-ex], 25 Feb 2014.

Según la teoría, el barión formado por los quarks udb, llamado Lambda-bottom (Λb0), y el mesón formado por los quarks db, llamado B-cero (B0), deben tener la misma vida media. Sin embargo, en 2003 se calculó que Γ(Λb0)/Γ(B0) = 0,798 ± 0,052, una discrepancia de 3,9 sigmas, y en 2004 que Γ(Λb0)/Γ(B0) = 0,786 ± 0,034, una diferencia de 6,3 sigmas respecto a la predicción teórica.

El experimento LHCb, tras analizar 1 /fb (un inverso de femtobarn) de colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. resolvió parcialmente este problema al encontrar Γ(Λb0)/Γ(B0) = 0,976 ± 0,012 ± 0,006, confirmando la teoría. El artículo técnico es LHCb collaboration, “Precision measurement of the Lambda_b baryon lifetime,” Phys. Rev. Lett. 111: 102003, 2013; arXiv:1307.2476 [hep-ex].

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Hoy se publica en arXiv el nuevo resultado del experimento LHCb tras analizar 3 /fb de colisiones protón-protón a 7 y 8 TeV c.m. Se confirma la teoría a con mayor confianza estadística tras medir Γ(Λb0)/Γ(B0) = 0,974 ± 0,006 ± 0,004. En concreto, la vida media de la partícula Lambda-b es Γ(Λb0) = 1,479 ± 0,009 ± 0,010 ps (picosegundos). Un gran resultado de LHCb, sin lugar a dudas.

Un nuevo resultado que confirma la robustez de las predicciones teóricas del modelo estándar.


9 Comentarios

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orlinorlin

Hola Francis,

Buen resultado de LHCb. Un pequeño detalle para comentar:

en la figura que pones en la entrada, las resonancias representan B0 y Bs0, la lambda0 “pesa” ~ 5620 MeV (color magenta figura 2 a) del arxiv).

saludos.

dudaduda

En años como físico nunca había visto esto: 0,976 ± 0,012 ± 0,006.
Conste que pregunto porque al saber tu tanto de todo creo que puede ser una notación que desconozco.

Francisco R. Villatoro

Duda, el significado es 0,976 (valor medido) ± 0,012 (error de origen estadístico) ± 0,006 (error de origen sistemático). Para obtener un único error se asumen estadísticamente independientes y se calcula error^2 = 0,012^2 + 0,006^2 = 0,00018, con lo que se obtiene error = 0,013, resultando que es equivalente a 0,976 ± 0,013. En física de partículas es importante separar errores estadísticos (asociados al número de coisiones analizadas) y errores sistemáticos (asociados al análisis teórico de estas colisiones).

Por cierto, a veces se separan errores estadísticos, errores sistemáticos debidos al diseño del experimento y errores de origen teórico en la interpretación de los datos, con lo puedes llegar a ver algo como 0,30 ± 0,04 ± 0,03 ± 0,01.

planck

Últimamente la naturaleza parece estar “burlándose” de nosotros: ha escondido la nueva Física fuera del alcance del primer rango de energías estudiado por el LHC (incluso “escondió” el Higgs en la zona más difícil de búsqueda y fijó su masa en la zona “crítica” de metaestabilidad del vacío), ha escondido las ondas gravitatorias fuera del alcance de los detectores actuales, ha escondido las partículas que conforman la materia oscura (si es que al final la MO está está compuesta por nuevas partículas) fuera del alcance de todos los detectores que hemos fabricado, ha elevado la vida media del protón hasta rangos aún no explorados en los enormes estanques de agua pura que tenemos bajo tierra, ha comenzado a acelerar la expansión del Universo precisamente “ahora” cuando podemos observarlo … incluso parece privarnos de la capacidad de fabricar computadores cuánticos o de fabricar reactores de fusión nuclear rentables. Sin embargo, por otro lado, la naturaleza nos permite a través de las matemáticas “fabricar” modelos teóricos que nos permiten acceder a “potenciales” nuevas características de nuestro Universo aún no verificadas experimentalmente. El más prometedor de nuestros “modelos” o marcos Físico-Matemáticos, la teoria de cuerdas, predice un inmenso paisaje de “posibles” energías del vacío. Personalmente estoy de acuerdo con aquellos físicos que opinan que hemos sido muy ingenuos pensando que la “teoría del todo” debe predecir el valor de todas las constantes fundamentales que observamos y la forma exacta de las leyes fundamentales de la Física. Probablemente, el número de posibles configuraciones del vacío por el que pudo “transcurrir” nuestro Universo es inmenso (como refleja la teoría de cuerdas) sin embargo, los detalles de como fue evolucionando nuestro Universo según este se expandía seleccionaron una configuración partícular entre el inmenso abanico de posibilidades. Nosotros ahora estamos en un punto concreto con una energía de “falso vacío” concreta dentro del enorme paisaje de falsos vacíos posibles que describe la teoría (en cualquier momento una nueva burbuja con una nueva energía de falso vacío nos puede convertir directamente en pura radiación energética, aunque la probabilidad de que sea ahora es muy baja). Este punto de vista, aunque es “antrópico” (solo podemos estar en aquella configuración que permite la existencia de constantes fundamentales que permiten la existencia de vida compleja) y “multidimensional” es probablemente inevitable y permite “explicar” el aparente ajuste fino que observamos. Por supuesto, lo difícil es encontrar la forma de seleccionar un número tratable de vacios del paisaje que puedan dar lugar a nuestro Universo y hacer nuevas predicciones comprobables. Necesitamos nuevos datos empíricos, nuevos experimentos, nuevos resultados, nuevas herramientas matemáticas o nuevos genios que sean capaces de lidiar con este complejísimo marco Físico-Matemático y proponer nuevos experimentos.
Detectar el año que viene la partícula SUSY más ligera sería un estupendo comienzo en esta dirección ¿demasiado bonito para poder ser cierto? Pronto lo sabremos…

Francisco R. Villatoro

Planck, noto cierto tono pesimista en tus palabras. Sin embargo, la actitud optimista me parece más adecuada. Todo parece ajustado de una forma que aún no entendemos. Hay algo importante detrás de todo esto esperando a ser descubierto. Quizás esté a la vista de todos y aún no nos hemos dado cuenta. En mi opinión estamos viviendo tiempos apasionantes. Dentro de varias décadas mucha gente nos envidiará por haber vivido en tiempo real esta época tan apasionante.

planck

Es cierto lo que dices Francis, vivimos tiempos decisivos y apasionantes y el pesimismo no conduce a ningún lado. En cualquier momento cualquiera de los numerosos experimentos en curso puede darnos la pista que nos conduzca a resolver los grandes enigmas pendientes. Tiene que existir algún profundo principio que aún no hemos descubierto, quizás la naturaleza del espacio-tiempo, quizás nuevas y más fundamentales simetrías…
Sea lo que sea la ciencia lo encontrará y espero que tu nos lo cuentes con todo detalle en este blog.

humkashumkas

Hola Francis, me queda una duda, si ya se había dado la medida de Γ(Λb0)/Γ(B0) = 0,786 ± 0,034, a 6,3 sigmas en 2004, no se supone que esto es un descubrimiento?, cómo es posible que ahora el LHCb entregue otras medidas con tanta diferencia?, o es que estoy mal interpretando el significado de sigma?. Por otro lado, gracias por tu estupendo blog 🙂

Francisco R. Villatoro

Humkas, dos cosas: (1) los descubrimientos requieren que más de un experimento confirme el resultado (la medida de OPERA de los neutrinos superlumínicos fue a 6 sigmas); y (2) las sigmas de confianza en un resultado no son una verdad absoluta y la mayoría de los expertos no considera que hay un descubrimiento hasta que se alcanza un consenso de que hay un descubrimiento (sin importar el número de sigmas).

A nivel de prensa y de noticias (incluso en mi blog) se le pone mucho énfasis al número de sigmas, pero en realidad la interpretación de un cierto número de sigmas depende de la “confianza” que la comunidad tiene en el resultado obtenido (si es un resultado esperado, 4 sigmas casi son suficientes, si es un resultado muy inesperado, ni 10 sigmas se las cree nadie).

En muchos experimentos, los propios investigadores (sin intención explícita de hacer fraude) subestiman los errores sistemáticos y sesgan los resultados hacia resultados con muchas sigmas, que en realidad no las tienen. De ahí la desconfianza general en estas cuestiones. En el LHC, en el caso del Higgs, se optó por un análisis ciego de los datos (ni los propios físicos podían ver la zona donde debía estar el Higgs), para evitar este tipo de sesgos (no intencionados).

En el caso de la medida que comento en esta entrada, la incertidumbre teórica era grande y hacía dudar a todos los expertos de que se hubiera producido un descubrimiento (por muchas sigmas que se obtuviesen). Todo el mundo esperaba a ver si se confirmaba o refutaba la medida en LHCb.

humkashumkas

Ahhmmm, 🙂 muchas gracias por tomarte el tiempo de explicarme esto, ahora es claro.

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