Por fin el LHC publica en Nature

Por Francisco R. Villatoro, el 14 mayo, 2015. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Nature • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science

Dibujo21450513 dimuon invariant mass - rare B0 mumu decay - cms LHCb data - nature14474-f2

Ya era hora de que el LHC publicara en Nature. CMS ya había publicado en Nature Physics, pero ahora CMS y LHCb logran publicar en Nature. A lo grande, como debe ser. Se publica el análisis combinado CMS+LHCb con colisiones LHC Run I para la desintegración en pares de muones de los mesones bellos neutros. Una pequeña desviación en este análisis respecto al modelo estándar sería una señal clara de física más allá. Por ahora no se observa ninguna desviación. Habrá que seguir buscándola en las colisiones del LHC Run II a 13 TeV c.m. que se iniciarán este verano.

Muchos físicos interpretan este resultado como una señal en contra de la supersimetría en la escala electrodébil, pero a mí no me gustan afirmaciones tan radicales. Las colaboraciones CMS (Compact Muon Solenoid) y LHCb (Large Hadron Collider beauty) han analizado las colisiones protón contra protón a 7 TeV cm (centro de masas) obtenidas durante 2011 y a 8 TeV cm en 2012. Gracias a los 25 fb−1 de colisiones en CMS y los 3 fb−1 de colisiones en LHCb se ha obtenido una estimación de la sección eficaz de desintegración B0→µ+µ a seis sigmas.

Un gran trabajo publicado en acceso gratuito en CMS Collaboration & LHCb Collaboration, “Observation of the rare Bs0 →µ+µ− decay from the combined analysis of CMS and LHCb data,” Nature 522: 68-72, 04 Jun 2015; doi: 10.1038/nature14474.

PS 03 Jun 2015: Recomiendo leer también Daria Zieminska, “High-energy physics: Proton smasher spots rare particle decays,”
Nature 522: 42-43, 04 Jun 2015,  doi: 10.1038/nature14520.

Dibujo20150603 The rare decay of neutral B mesons to muons - nature com

Dibujo21450513 feynman diagrams related to b0 to mumu decay - nature14474-f1

Los mesones B están compuestos de un antiquark fondo (b) y un quark arriba (u), el B+, o un quark abajo (d), el B0, o un quark extraño (s), el Bs0, o un quark encanto (s), el Bc+ (por cierto, la combinación de un antiquark fondo y un quark fondo es un mesón que no se llama mesón B, sino que se llama bottomonium, como todos los mesones quark-antiquark del mismo tipo que se llaman quarkonios).

La desintegración débil mediante una corriente neutra (un bosón vectorial Z) de un mesón Bs0 está prohibida a nivel de árbol (el primer orden en el desarrollo perturbativo). Por ello la desintegración de este mesón B en una pareja muón-antimuón requiere un bucle (efectos de segundo o mayor orden en el desarrollo perturbativo), estando fuertemente suprimida (su probabilidad es muy baja). Siendo un suceso muy raro, permite explorar posible la física más allá del modelo estándar (por ejemplo, la supersimetría ya que la existencia de partículas supersimetrías en el bucle cambiaría la probabilidad de desintegración).

El mesón B0 tiene una masa de 5,27958 ± 0,00017 GeV/c² y una vida media de 1,519 ± 0,005 ps (billonésimas de segundo); el mesón Bs0 tiene una masa de 5,36677 ± 0,00024 GeV/c² y una vida media de 1,512 ± 0,007 ps (billonésimas de segundo) [datos del PDG 2014]. La probabilidad de desintegración en una pareja de muones (branching ratio, BR) según el modelo estándar es BRsm(Bs0→µ+µ) = (3,66 ± 0,23) × 10–9 y BRsm(B0→µ+µ) = (1,06 ± 0,09) × 10–10. Un parámetro importante es el cociente BRsm(B0→µ+µ)/BRsm(Bs0→µ+µ)=0,0295 ± 0,0028; cualquier desviación puede ser una señal de física más allá del modelo estándar.

Dibujo21450513 cms - schematics detector - evnet display - candidate event - nature14474-sf3

CMS (Compact Muon Solenoid) es un detector que busca nuevas partículas con una masa entre 100 GeV/c2 y varios TeV/c2. Muchas de estas partículas se desintegración en quarks fondo (b) que se hadronizan dando lugar a mesones B. En las raras ocasiones en las que se desintegran en un par de muones son detectados por la parte exterior del detector (las cámaras de muones). Este figura muestra un evento de este tipo (los muoens son las curvas en rojo).

Dibujo21450513 lhcb - schematics detector - evnet display - candidate event - nature14474-sf4

LHCb (Large Hadron Collider beauty) es un detector muy diferente a CMS y está especializado en el estudio de los mesones B y de la asimetría materia-antimateria. A las energías de las colisiones en el LHC los mesones B son capaces de recorrer una distancia de pocos centímetros antes de decaer (casi se mueven a la velocidad de la luz pero su vida media es de picosegundos). Cuando decaen en un par de muones de alta energía, como estas partículas tienen una vida media de 2,2 μs (microsegundos) pueden recorrer gracias a la dilatación del tiempo distancias de varios metros hasta los detectores.

 

Dibujo21450513 Likelihood contours in the B0mumu versus B0smumu plane - nature14474-f3

Esta figura muestra el resultado combinado CMS+LHCb para todas las colisiones del LHC Run I. El resultado obtenido es BR(Bs0→µ+µ) = (2,8 ± 0,7) × 10–9 (valor que es 6,2 σ mayor que cero) y BR(B0→µ+µ) = (3,9 ± 1,6) × 10–10 (valor que es 2,3 σ mayor que cero). Estos valores corresponden a 0,76 ± 0,20 y 3,7 ± 1,6, resp., del valor predicho por el modelo estándar, es decir, están a 1,2 σ y 2,2 σ del valor teórico. La fracción BR(Bs0→µ+µ)/BR(B0→µ+µ) = 0,14 ± 0,08 está a 2,3 σ del valor del modelo estándar. Por tanto, todos estos valores están en buen acuerdo con el modelo estándar (tanto como podemos esperar para el número de colisiones analizadas).

 

Dibujo21450513 Search reported by 11 experiments spanning more than three decades - and future results - - nature14474-sf7

Esta figura muestra la evolución en el tiempo de los resultados para BR(Bs0→µ+µ) y BR(B0→µ+µ) según 11 experimentos en los últimos 30 años. Los valores se aproximan con rigor a las predicciones del modelo estándar sin mostrar ningún indicio de nueva física. Algunos lo interpretarán como un duro varapalo para la supersimetría a baja energía. Otros lo verán como un éxito más del modelo estándar. En cualquier caso todos nos alegramos de que LHC haya publicado por primera vez en la prestigiosa revista Nature.

 



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