La anomalía de los mesones B en la revista Nature

Dibujo20170609 b meson rd vs rdstar measurements lhcb nature22346-f6

Los artículos de física de partículas en revistas como Nature o Science son muy excepcionales. Por ello me sorprende de forma muy agradable la publicación de dos artículos de revisión en Nature esta semana. El tema es el mismo, las anomalías observadas en la física de mesones B que apuntan en contra de la universalidad leptónica predicha por el modelo estándar. Los detectores LHCb, Belle y BaBar han observado que el cociente entre el número de las desintegraciones semileptónicas en leptones tau y electrones difiere. La causa podría ser nueva física (un bosón Z-prima, leptoquarks, etc.), pero aún es pronto para estar seguros.

El modelo estándar predice RD = 0,300 ± 0,008 y RD* = 0,252 ± 0,003. Sin embargo, la combinación de los resultados de LHCb, Belle y BaBar obtenida por el HFAG encuentra que RD = 0,397 ± 0,049 y RD* = 0,316 ± 0,019. Los valores experimentales se desvían a unos dos sigmas de los valores teóricos, pero las incertidumbres experimentales son unas seis veces mayores que las teóricas. Hasta que dichas incertidumbres no se reduzcan en este factor (lo que puede costar más de un lustro) no podemos descartar que se trate de una fluctuación estadística en el mismo sentido en el tres detectores.

Te recomiendo disfrutar de estos dos estupendos artículos de primera mano: Gregory Ciezarek, Manuel Franco Sevilla, …, Yutaro Sato, “A challenge to lepton universality in B-meson decays,” Nature 546: 227–233 (08 Jun 2017), doi: 10.1038/nature22346, arXiv:1703.01766 [hep-ex], y F. Archilli, M.-O. Bettler, …, K. A. Petridis, “Flavour-changing neutral currents making and breaking the standard model,” Nature 546: 221–226 (08 Jun 2017), doi: 10.1038/nature21721.

Dibujo20170609 leptonic and semileptonic decay b-meson nature22346-f1

Los mesones bellos B son partículas formadas por un quark bottom (o beauty) y otro antiquark. Se pueden desintegrar vía la desintegración débil de forma leptónica y de forma semileptónica. En el primer caso, parte izquierda de la figura, la pareja de quarks se aniquila vía un bosón W que se desintegra en un leptón y un neutrino; en el segundo caso, parte derecha, el bosón W transforma el quark bottom en un quark encanto, quedando inerte el antiquark, resultando en la emisión de un mesón encantado D, junto a un par leptón-neutrino (el decaimiento corresponde a b → c ℓ υ).

Dibujo20170609 Comparison of measurements with standard model predictions nature22346-f4

El análisis de las desintegraciones leptónicas de mesones B muestra un buen acuerdo entre teoría y observación. Tanto en BaBar (1999–2008), en el SLAC (California, EE.UU.), como en Belle (1999–2010), en el KEK (Tsukuba, Japón), como en LHCb (en curso), en el LHC del CERN (Europa). Sin embargo, para las desintegraciones semileptónicas se observa una desviación aún sin explicación. LHCb seguirá tomando datos mientras funcione el LHC y aún no se han analizado todos los datos recabados el año pasado. Belle II está en construcción y empezará a tomar datos el año 2018 si todo va bien. Los próximos años serán claves para desvelar el origen de estas desviaciones.

Dibujo20170609 semileptonic decay rations theory experiment b-mesons nature22346

Lo que hay que tener claro es que sabemos calcular con gran precisión la predicción del modelo estándar para el cociente entre las fracciones de desintegración (branching ratios) para las desintegraciones con leptones tau y con electrones. La estimación observacional es mucho más complicada de determinar y tiene una incertidumbre tanto estadística (debida al número de colisiones analizadas) como sistemática (debida a la predicción teórica de lo que deberían observar los detectores) mucho mayor; aún así, el valor medio difiere claramente de la predicción teórica. Quiero destacar este punto, las desintegraciones semileptónicas son procesos raros cuyo análisis e interpretación requiere mucho esfuerzo. Las anomalías observadas podrían tener su origen en estos análisis sin necesidad de recurrir a física más allá del modelo estándar.

Dibujo20170609 leptoquark diagrams for semileptonic decays nature22346-f7

Hagamos un acto de fe e imagemos que existe nueva física detrás de la anomalía observada. Una posibilidad muy atractiva es la existencia de leptoquarks (LQ). Estas hipotéticas partículas son predichas por muchas teorías de gran unificación (GUT), como las basadas en los grupos de simetría SU(5) o E6, y en otras teorías como el tecnicolor; las propiedades (números cuánticos) de los leptoquarks dependen del modelo concreto que se asuma. Aún así, todos predicen que un quark se puede transformar en un leptón cargado o en un neutrino vía un leptoquark. La adición de estas desintegraciones al modelo estándar podría explicar el porqué los valores observados de RD y RD* son mayores de las predicciones del modelo estándar.

Hay muchas otras posibles explicaciones para las anomalías observadas, como la existencia de una nueva interacción U(1) mediada por un bosón Z’ (Z-prima), que no cumpliera la universalidad leptónica; este nuevo bosón Z’ (a diferencia del bosón Z) se acoplaría a los leptones de forma diferente en función de su sabor (se desintegraría en leptones tau con mayor probabilidad que en muones o en electrones).

En resumen, por ahora no sabemos si estas anomalías son un artefacto estadístico o una señal de algo interesante. Habrá que esperar unos años, como mínimo un lustro, para poder decidir esta cuestión. Pero lo que está claro es que la física de partículas sigue siendo tan fascinante como siempre y se agradece que revistas como Nature y Science se hagan eco de ello.


8 Comentarios

Participa Suscríbete

El CidEl Cid

Hola Francis,

Esto tiene muy, pero que muy buena pinta … algunos son más optimistas que tú …

“There is actually a lot going on in the field. LHCb researchers are collecting more data and will try to find out if the lepton universality is indeed violated. My guess is that we should know the answer by the end of this year.”

https://www6.slac.stanford.edu/news/...hysics.aspx

S2.

Francisco R. Villatoro

El Cid, el español padre de los observables “limpios” que se usan en estos análisis, Joaquim Matias, dice que las sigmas sigmas indiscutibles se alcanzarían a finales de año y se publicarán en las conferencias de Moriond 2018 (febrero-marzo). Aún así, este verano sabremos si la anomalía crece en significación o no lo hace.

Arturo C.Arturo C.

Buenas tardes,dias o noches.

He estado un poco metido en el tema de “Falso vacio” o “False vacuum” y no encuentro a alguien mejor que usted para poder responder algunas de mis preguntas (eso si usted gustaria responderlas)

1.- ¿El problema de la cosmologia constante tiene o es algo que interfiere de alguna forma con el tema del falso vacio?

Y por ultimo, no acabo de entender estos 2 temas, me gustaria saber si me lo podria resumir a palabras “entendibles” para un no-fisico…
https://arxiv.org/abs/0711.1821

https://arxiv.org/abs/astro-ph/0612245

En verdad me ayudaria mucho, gracias por su comprencion!

Francisco R. Villatoro

Arturo, el problema de la constante cosmológica (o energía oscura) es que no sabemos lo que es, por lo que no podemos saber si es realmente constante o cambia. En el primer caso su contribución al universo irá creciendo sin límite conforme éste se expande y llegado cierto momento equivaldrá a una densidad de energía tan grande que provocará que el universo sufra una transición de fase a un nuevo estado de vacío, que se llama falso vacio. La idea es que el campo inflatón tiene dos vacíos (como el campo de Higgs), uno a baja energía y otro a alta energía; si la densidad de energía del vacío actual crece mucho será suficiente para que el vacío actual a baja energía, por efecto túnel, salte al vacío a alta energía (el falso vacío).

Todo esto es muy especulativo (ni siquiera sabemos si el campo inflatón existe y si no habrá una transición de fase anterior debida al Higgs, que también tiene un falso vacío). Necesitamos resolver el problema de la energía oscura antes de hablar con rigor sobre estos asuntos.

Arturo C.Arturo C.

Dejeme ver si entendi algo ¿Entonces hay dos tipos de “falso vacio”?

¿Uno mediante el boson de Higgs y otro mediante la energia oscura acumulada del universo? ¿O es lo mismo? he leido que el “falso vacio” se podria dar en cualquier momento, pero mas que claro es que sucederia dentro de miles de millones de años, cuando el universo llegase a el “Big Freeze”… Wow, me soprende un poco mas la fisica…

¿Hay alguna preocupacion de que algo como falso vacio ocurriece en nuestro tiempo de vida?

Francisco R. Villatoro

Arturo, los campos cuánticos pueden tener más de un vacío, cada uno con una energía diferente. Se suele llamar vacío al de menor energía y falso vacío al siguiente (puede haber más). Según la teoría el tiene al menos dos vacíos (aunque su confirmación experimental es indirecta); el teórico campo inflatón también tiene al menos dos vacíos.

La transición entre el vacío actual y un posible falso vacío por efecto túnel depende exponencialmente de su diferencia de energía; por lo que sabemos para el Higgs y el inflatón es un valor exponencialmente pequeño, luego el proceso es muy, muy improbable en los próximos miles de millones de años.

Durante tu vida no tienes que preocuparte, sabemos que el proceso no se ha iniciado en nuestro entorno del universo hasta un radio de unos diez mil millones de años; así que, salvo que seas eterno (vivas más que el Sol) no tienes por qué preocuparte.

Arturo C.Arturo C.

Como ultimas preguntas
¿Como se detectaria? ¿Una vez detectado tendriamos 10 billones de años? He leido por ahi que seria tan rapido como la luz y seria indetectable,
Puea gracias, me alegra saber que por lo menos este evento no sucederia en miles de millones de años o tal vez nunca.

Francisco R. Villatoro

Arturo, la transición de fase, según algunos trabajos de principios de los 1970, sería similar a una nucleación. Una pequeña región de vacío se transformaría en falso vacío y su radio iría creciendo a la velocidad de la luz; por supuesto, cuando se cumpla la condición que inicia dicha nucleación, de forma más o menos simultánea, ocurrirá en todos los lugares del universo. Puedes imaginar cómo se forman burbujas en el agua que hierve en una olla al fuego. Por ello, si ahora estuviera ocurriendo en nuestro universo visible ya tendríamos pruebas de ella (con un radio z ~ 2 sabemos que está ocurriendo con seguridad).

Por cierto, si el Higgs y el inflatón fueran el mismo cuántico, como proponen algunos físicos teóricos, sus falsos vacíos podrían coincidir entre sí; aunque la mayoría de los físicos piensa que son diferentes.

Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>