Nuevo resultado de LHCb sobre la violación de la universalidad leptónica en el parámetro R(D*)

Dibujo20180428 Topology signal decay B0 to tau to 3 pi lhcb PhysRevLett 120 171802

La universalidad leptónica es una propiedad del modelo estándar que afirma que la única diferencia entre los leptones (electrón, muón y tau) es debida a su masa; a alta energía su masa es despreciable, luego deben ser indistinguibles. Belle, BaBar y LHCb han observado indicios de violaciones de la universalidad leptónica en los cocientes R(D) y R(D*), un exceso combinado de 3.9 sigmas de confianza estadística. LHCb acaba de publicar su nuevo análisis de la fracción R(D*) ≡ BR (B0 → D*τ+ντ)/BR (B0 → D*μ+νμ) tras analizar 3 /fb de colisiones. El resultado R(D*) = 0.291 ± 0.019 ± 0.026 ± 0.013 es compatible con el modelo estándar (y la universalidad leptónica) a 1.1 sigmas; combinado con otros indicios reduce el exceso a solo 2.2 sigmas. Aún así, el exceso combinado en los cocientes R(D) y R(D*) sigue discrepando del modelo estándar en 4.1 sigmas.

Se han usado 3/fb de colisiones a 7 TeV y 8 TeV para obtener la primera estimación de R(D*) usando las desintegraciones hadrónicas de los leptones tau en tres y cuatro piones, es decir, τ+ → π+ππ+ντ, y τ+ → π+ππ+π0ντ. El análisis es bastante complicado, luego omitiré los detalles, resultando una tasa de desintegración BR (B0 → D*τ+ντ) = [1.42 ± 0.094 (stat) ± 0.129 (syst) ± 0.054 (ext)] × 10−2; combinada con estimaciones previas del valor de BR (B0 → D*μ+νμ) = (4.88 ± 0.10) × 10−2, resulta un valor de R(D*) a solo 1.1 sigmas de la predicción del modelo estándar (0.252 ± 0.003). Combinado con la estimación de LHCb para la desintegración leptónica τ+ → μ+νμντ, se obtiene un valor de R(D*) = 0.31 ± 0.016 (stat) ± 0.021 (syst), a solo 2,2 sigmas de la predicción del modelo estándar.

Las violaciones la universalidad leptónica son una de las puertas abiertas en el modelo estándar hacia nueva física más allá. Muchas deseamos que no se cierre esta puerta, pero habrá que ver cómo evoluciona en futuras observaciones. Los nuevos artículos son LHCb Collaboration, “Measurement of the Ratio of the B0 → D*τ+ντ and B0 → D*μ+νμ Branching Fractions Using Three-Prong τ-Lepton Decays,” Phys. Rev. Lett. 120: 171802 (25 Apr 2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.120.171802, arXiv:1708.08856 [hep-ex], y “Test of lepton flavor universality by the measurement of the B0 → D*τ+ντ branching fraction using three-prong τ decays,” Phys. Rev. D 97: 072013 (25 Apr 2018), doi: 10.1103/PhysRevD.97.072013, arXiv:1711.02505 [hep-ex]. Más información sobre la situación actual de la universalidad leptónica en desintegraciones semileptónicas de mesones B en HFLAV: Semileptonic B Decay Parameters.

Los interesados en más información divulgativa pueden consultar Simone Bifani, Concezio Bozzi, …, Patrick Owen, “Beauty quarks test lepton universality. A series of measurements from LHCb and B-factory experiments have tested whether the interactions of charged leptons agree with the Standard Model,” CERN Courier, 23 Mar 2018.

Dibujo20180428 RD RDstar current status slac stanford hflav semi fpcp17

Esta figura muestra las estimaciones actuales de los cocientes R(D) y R(D*), incluyendo este último la nueva medida de LHCb (hadronic tau), en la parte derecha (que se hizo pública en FPCP 2017). Como se observa, la combinación de las medidas de BaBar, Belle y LHCb muestra un exceso claro respecto a las predicciones del modelo estándar. Sin embargo, los intervalos de incertidumbre de las observaciones son enormes comparados con los de la predicción teórica. Más aún, aunque esta figura no lo ilustra, la desviación en R(D*) ha disminuido ligeramente con la nueva medida de LHCb; esto se podría interpretar como que podría seguir disminuyendo con futuras medidas, pero siempre hay que ser cautos con dichas extrapolaciones.

Dibujo20180428 RD vs RDstar current status slac stanford hflav semi fpcp17

Esta figura muestra la desviación respecto al modelo estándar a 4.1 sigmas en el plano R(D) versus R(D*). Aunque no muestro la figura anterior (HFLAV – Moriond EW 2017), no creo que merezca la pena porque el cambio es muy pequeño. Hay que superponer ambas figuras para notarlo. Aún así, a vista, el pequeño cambio reduce la desviación observada (aunque cambia el centroide y pasa de 3.9 sigmas a 4.1 sigmas).

¿Se cerrará en el próximo lustro la puerta abierta hacia nueva física más allá del modelo estándar? Muchos desean que no se cierre y que la violación de la universalidad leptónica sea luz que ilumine nuestro camino hacia el más allá. Sin embargo, habrá que esperar a futuras observaciones. Así que, como siempre, habrá que seguir al tanto de estos avances.

Dibujo20180428 lhcb decay b0 meson lhcb lhc cern org

LHCb es uno de los cuatros grandes detectores de LHC en el CERN, junto a ALICE, ATLAS y CMS; LHCb el más pequeño de los cuatro. Se trata de un detector asimétrico con forma de pirámide rectangular con el vértice en el punto de colisión (los otros tres tienen forma de cilindro, con el punto de colisión en el centro). LHCb está especializado en la observación de hadrones bellos (partículas compuestas de quarks que contienen algún quark b, sigla de bottom o beauty). Esta figura muestra la desintegración de un meson B en kaón y un par electrón-positrón.

Dibujo20180428 event lhcb lhcb lhc cern org

Lo más interesante de las colisiones observadas en LHCb ocurre a pocos centímetros del vértice, pero los detectores se encuentran a muchos metros de distancia. Esta figura lo ilustra para la desintegración de un mesón B.

Dibujo20180428 tree level loop level b meson decay lhcb lhcb lhc cern org

Las desintegraciones de mesones B, es decir, de quarks b en quarks de menor masa, ocurren vía la interacción débil. En el modelo estándar, a nivel de árbol (desintegración directa) solo ocurren desintegraciones con cambio de carga, como la b → c que ilustra la parte de arriba de esta figura (el quark b es tipo down (abajo), luego tiene una carga eléctrica de –1/3 y el quark c (charm o encanto) es de tipo up (arriba), con una carga de +2/3). En el modelo estándar, las desintegraciones que conservan la carga, como la b → s (el quark s (strange o extraño) es de tipo down (abajo) y tiene una carga de 1/3), ocurren solo a nivel de lazo (loop) como ilustra la parte de abajo de esta figura (b → s ocurre de forma indirecta gracias a b → t, y t → s). Por ello, las desintegraciones FCNC ocurren con muy baja probabilidad.

2 comentarios

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La universalidad leptónica es una propiedad del modelo estándar que afirma que la única diferente entre los leptones -> diferencia

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