Primer límite a la masa de los quarks tipo vectorial en el LHC Run 2

Dibujo20160731 expected observed limits vector-like quarks decay into Wb cms lhc cern

La interacción débil solo afecta a las componentes levógiras de los quarks. Nada prohíbe que existan quarks llamados vectoriales a los que afecte también a las dextrógiras. CMS ha publicado su primera búsqueda de estos quarks tipo vectorial (VLQ) en el LHC Run 2, con colisiones a 13 TeV cm, mediante su desintegración en un bosón W y un quark bottom, es decir, para los quarks tipo vectorial llamados T e Y, que se desintegran como T/Y →Wb.

Tras analizar 2,3 /fb de colisiones de 2015, la masa de un VLQ tipo T, cuya carga eléctrica es +2/3, debe ser mayor de 1,42 TeV, y la de un VLQ tipo Y, con carga −4/3, mayor de 1,73 TeV, ambos límites de exclusión al 95% C.L. Por supuesto, habrá que esperar a los límites que obtenga ATLAS, pues estos límites son más optimistas de lo esperado.

El artículo es The CMS Collaboration, “Search for singly-produced vector-like quarks decaying into a W boson and a bottom quark using the single lepton final state,” CMS PAS B2G-16-006, 30 Jul 2016. Las figuras de fondo gris son de Luca Panizzi, “Vector-like quarks t’ and partners,” ECT*, PDF slides.

Dibujo20160731 vector-like quark Lagrangian charged currents both in the left and right sector

El modelo estándar de las partículas es quiral, pues la interacción débil se describe por un modelo V−A (vectorial−axial). Esto significa que solo existen las corrientes débiles levógiras o, lo que es lo mismo, que la interacción débil solo afecta a las componentes levógiras de los fermiones (leptones y quarks), y a las dextrógiras de los antifermiones (antileptones y antiquarks). La interacción débil no ve a las componentes dextrógiras de los fermiones (o levógiras de los antifermiones). Los fermiones vectoriales (tanto leptones como quarks tipo vectorial) son partículas de espín 1/2 que dan lugar a corrientes débiles tanto levógiras como dextrógiras. Una extensión bastante natural del modelo estándar es la inclusión de nuevos quarks tipo vectorial a los que la interacción débil afectaría tanto a sus componentes levógiras como dextrógiras.

Dibujo20160731 decays vector-like quarks

Los quarks top y bottom tienen cargas eléctricas +2/3 y −1/3, y corresponden a una representación singlete del grupo SU(2). Los correspondientes quarks tipo vectorial se denominan T (t’) y B (b’), y tienen sus mismas cargas. También pueden existir quarks tipo vectorial más exóticos correspondientes a una representación doblete del grupo SU(2), como los quarks tipo vectorial X e Y, con cargas eléctricas +5/3 y −4/3.

Dibujo20160731 feynman diagram vector-like quark decay into W b cms lhc cern

La colaboración CMS ha emprendido la búsqueda de los quarks tipo vectorial que se desintegran vía un bosón W y un quark bottom, es decir, T e Y con cargas eléctricas +2/3 y −4/3. Se han usado 2,3 /fb (invesos de femtobarn) de colisiones protón contra protón a 13 TeV c.m. recabadas en el año 2015. Como la desintegración del W se observa gracias a la presencia de un leptón cargada (electrón o muón), sólo se han podido usar las colisiones recabadas con el campo magnético de 3,8 teslas activado. Recuerda que durante parte de 2015 hubo un problema que impidió usar dicho imán superconductor solenoidal de 6 metros de diámetro y 13 metros de longitud.

¿Por qué es interesante la búsqueda de quarks tipo vectorial en el LHC Run 2? La razón prioritaria hoy en día es la resonancia a 750 GeV en el canal difotónico. Para explicarla muchos modelos teóricos recurren a la existencia de quarks tipo vectorial con masas en el rango de O(1) TeV. Por ello el nuevo resultado será el primero de una larga serie de análisis que excluirán este tipo de partículas con masas crecientes.



3 Comentarios

  1. Pero todo parece indicar que el exceso ha desaparecido. Esta vez la naturaleza no ha sido generosa con nosotros pobres “homínidos inteligentes”. La “muerte” del exceso de 750 GeV es un golpe durísimo para la Física fundamental y confirma el “escenario pesadilla”: el único descubrimiento que veremos en el LHC será el bosón de Higgs. Podremos consolarnos diciendo que se han establecido nuevos límites de exclusión, que se ha confirmado el SM con una precisión extraordinaria, etc, etc pero siendo completamente sinceros esto es un auténtico desastre. Esto podría significar incluso el final de la Física de partículas al menos a corto plazo. Sin la luz del experimento nuestras teorías se quedarán para siempre en el limbo de lo probable pero indemostrable. Por desgracia, el fracaso del LHC a la hora de encontrar nueva Física ahondará aún más la enorme grieta ya existente entre los teóricos (muchos perderán sus puestos de trabajo con la enorme perdida que eso supone) y los experimentalistas: por un lado Físicos como Maldacena, Witten, Polchinski, Susskind etc han encontrado un Universo fascinante y extraño, un Universo con dimensiones extra, dualidades, entrelazamiento, wormholes, etc etc pero por otro lado, es posible que los Físicos experimentales jamás lleguen a poder encontrar evidencias experimentales de este “extraño Universo”. Creo que en el fondo los Físicos teóricos saben que este extraño y fascinante Universo es real pero, sin datos experimentales directos ¿como pueden convencer al resto de que esto es cierto?. En mi opinión la comunidad científica tendrá que empezar a valorar el peso de las pruebas indirectas, pruebas parciales, pruebas de consistencia matemática, indicios, etc etc. Por ejemplo, la dualidad gauge-gravedad como la dualidad ADS/CFT permanece como una conjetura aunque ha pasado una enorme cantidad de pruebas no triviales, pruebas de consistencia, pruebas indirectas, etc, etc ¿Cuanta evidencia es necesaria para aceptarla como una característica Física real del Universo que habitamos? Si se encontrase una demostración matemática rigurosa de su existencia ¿Sería entonces aceptada por la comunidad de Físicos? Por supuesto aquí entramos de lleno en la discusión sobre la realidad de las entidades Matemáticas ¿Que significa que el Universo sea dual? ¿Que significa realmente la existencia de dos descripciones equivalentes de un mismo fenómeno? ¿Existen ambas descripciones “Físicamente”? Aquí estamos de nuevo en el límite entre Física y Metafísica.
    Otro ejemplo: cuando se encuentre que el valor del parámetro r es pequeño pero positivo (si se encuentra) entonces la inflación cósmica será considerada por la comunidad científica como un hecho científicamente demostrado. Dos de las implicaciones de la teoría, a saber, que nuestro Universo se extiende mucho más allá del horizonte visible y que el BigBang solo fue otro evento de transición entre falso vacío a vacío verdadero entre una infinidad de eventos del mismo tipo ¿Deberán ser automáticamente aceptadas por la comunidad científica a pesar de no ser (a priori) físicamente comprobables? ¿Que parte de la teoría de la inflación debemos aceptar y que parte no? Si somos consecuentes y coherentes ¿No deberíamos aceptar la teoría junto con todas sus consecuencias? El debate será duro e intenso… lo que parece evidente es que hay que actualizar lo que se consideraba el “método científico del siglo XX” a lo que deberá denominarse el “método científico del siglo XXI” al menos, está es mi opinión.

    1. No sé si he entendido qué has querido decir. Seguramente no… Pero por mi parte, el día que un físico teórico pretenda hacerme creer en sus “descubrimientos fascinantes y extraños” igual que un homeópata en los suyos, me declararé apóstata de la ciencia.

  2. Hablo desde un punto de vista profano, pero estoy seguro de que hay más fisica esperando ser descubierta, sobre todo cuando por fin se tenga una teoria de gravedad cuantica que funcione. Cuando se conseguira eso, lo desconozco.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 31 julio, 2016
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