LHCb observa otra anomalía asociada a la universalidad leptónica

Dibujo20171117 lhcb excess tau muon ratio in charged B mesons

La universalidad leptónica implica que en las desintegraciones débiles de alta energía no hay diferencia entre los leptones (tau, muón y electrón), ya que el efecto de su masa es despreciable. LHCb ha observado una nueva anomalía, un pequeño exceso de leptones tau respecto a muones en la desintegración de los mesones bellos encantados, formados por un quark charm (c) y un antiquark bottom (b). La anomalía es pequeña, unas dos sigmas, pero es relevante porque se añade a lista de anomalías ya observadas de la universalidad leptónica (que suman más de cuatro sigmas en total). ¿Se oculta nueva física en estas anomalías? La esperanza de muchos físicos es que así sea.

El análisis está basado en 3/fb de colisiones protón-protón en LHCb obtenidas en el LHC Run 1 (colisiones a 7 TeV c.m. y 8 TeV c.m.). El resultado obtenido

\displaystyle\mathcal{R}(J/\psi)= \frac{\mathcal{B}(B_c^+\,\to\,J/\psi\,\tau^+\,\nu_\tau)}{\mathcal{B}(B_c^+\,\to\,J/\psi\,\mu^+\,\nu_\mu)})={0.71}\pm{0.17}\,\mathrm{(stat)}\,\pm{0.18}\,\mathrm{(syst)}\,,

difiere de la predicción del modelo estándar, un valor entre 0.25 y 0.28, a unas dos sigmas (como ya he indicado). Por supuesto, habrá que esperar a su confirmación con colisiones del LHC Run 2 a 13 TeV c.m. (en su caso, pues nada impide que la desviación se pueda reducir).

El artículo es LHCb collaboration, “Measurement of the ratio of branching fractions B(B+c→J/ψτ+ντ)/B(B+c→J/ψμ+νμ),” arXiv:1711.05623 [hep-ex]. Más información divulgativa en “LHCb digs deeper into lepton-flavour universality,” CERN Courier, 13 Oct 2017. En esta entrada he incluido algunas figuras de la charla de Gino Isidori (Univ. Zürich), “B-physics anomalies: model building & future implications,” LHCb implications, CERN, 10 Nov 2017 [slides PDF]. Más charlas sobre los resultados de LHCb en la conferencia “Implications of LHCb measurements and future prospects,” CERN, 08-10 Nov 2017 [program with slides].

Dibujo20171117 lhcb R_JPsi_s anomalies

Las anomalías en la universalidad leptónica se observan en las desintegraciones débiles tanto vía corrientes cargadas (b → c) como vía corrientes neutras (b → s), donde b, c y s son los quarks bottom, charm y strange, resp. En el primer caso hay diferencias entre las desintegraciones a leptones tau, muones y electrones (coeficientes R(D), R(D*), etc.); en el segundo caso hay diferencias entre muones y electrones (coeficientes R(K), R(K*), etc.). Por ahora, se trata de los efectos más coherentes entre sí que apuntan a nueva física más allá del modelo estándar.

Dibujo20171118 lepto universality violation sm lhcb belle babar

La universalidad leptónica recuerda a la universalidad de la carga eléctrica a principios del siglo XX. La interacción entre fotones de longitud de onda mayor que el radio de un protón con electrones y protones (que a esta escala se comportan como partículas fundamentales) es idéntica, solo se diferencia en el efecto de sus masas; la razón en aquella época es que su carga eléctrica es exactamente igual, aunque de signo opuesto. Hoy tenemos una explicación para ello dentro del modelo estándar, la cancelación de anomalías exige que una suma nula para todas las cargas de las partículas de cada generación (quarks y leptones).

En el modelo estándar la interacción débil hereda una universalidad similar asociada a la hipercarga débil; no hay diferencia entre los leptones (tau, muón y electrón) salvo por el efecto de sus masas, dado que sus hipercargas débiles se asume que son idénticas. No hay una explicación teórica similar a la cancelación de anomalías, pero este hecho se asume esta propiedad en el modelo estándar al hilo de la navaja de Ockham. Por supuesto, podría tratarse de una propiedad accidental, solo en apariencia exacta a baja energía; esto significa que las anomalías de la universalidad leptónica observadas podrían ser incorporadas con un pequeño cambio en el modelo estándar (similar al cambio que supone la existencia de masa para los neutrinos).

Dibujo20171117 lhcb Bc Feynman SM and BSM scenarios

Dibujo20171118 leptoquarks and new bosons universality violation bsm

Sin embargo, la mayoría de los físicos prefiere no tocar la universalidad leptónica en el modelo estándar y asumir que las anomalías observadas tienen una causa asociada a nueva física más allá del modelo estándar. Se han propuesto varios modelos teóricos para explicar estas anomalías, siendo el preferido por muchos físicos la existencia de leptoquarks (LQ), dado que se observan anomalías tanto en corrientes débiles neutras como en corrientes débiles cargadas. Por supuesto, para las asociadas a corrientes débiles neutras la explicación más natural es la existencia de un nuevo bosón débil neutro, llamado Z prima (Z’), asociado a una nueva simetría U(1) a añadir en el modelo estándar. Para las corrientes débiles cargadas la explicación más natural es la existencia de nuevos bosones débiles cargados, llamados W± primas (W’±), asociados a una nueva simetría SU(2) a añadir del modelo estándar. Por supuesto, esta segunda posibilidad podría incorporar a la primera, en analogía con la simetría SU(2) electrodébil. Pero también se han propuesto otros modelos más exóticos.

En resumen, las anomalías asociadas al sabor son el camino más prometedor para el futuro de la física de partículas en colisionadores hadrónicos. Habrá que estar al tanto de cómo evolucionan estas anomalías tras el análisis de las 3,7 /fb de colisiones a 13 TeV c.m. almacenadas por LHCb en el LHC Run 2.


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