LHCb sigue observando una anomalía en la desintegración de mesones B neutros

Por Francisco R. Villatoro, el 23 marzo, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 20

Los resultados de LHCb en el LHC Run 1 para la distribución angular de los productos de la desintegración de un mesón B neutro en un kaón neutro y una pareja muón-antimuón mostraba una anomalía sin explicación en 2017. Se acaba de publicar que, al añadir el análisis de las colisiones de 2016 de LHC Run 2, alcanzando 4.7 inversos de femtobarn, la anomalía se mantiene para los parámetros FL, AFB, S5, y P´5. La significación estadística de la anomalía depende del parámetro y del modelo teórico usado, pero alcanza hasta 2.9 sigmas (con LHC Run 1 llegó hasta 3.0 sigmas). La anomalía no ha decrecido mucho, pero tampoco ha aumentado. Aún así, esta anomalía es una de las más prometedoras que apuntan a nueva física más allá del modelo estándar. Pero hay que ser cautos y esperar al análisis de las colisiones de 2017 y 2018 del LHC Run 2, que están en curso.

El nuevo artículo es LHCb collaboration, «Measurement of CP-averaged observables in the B0→K∗0μ+μ decay,» arXiv:2003.04831 [hep-ex] (10 Mar 2020); recomiendo el seminario LHC de Eluned Anne Smith, «Updated angular analysis of the decay B0→K∗0(→K+π+μLHC Seminar, 10 mar 2020. Los seguidores del podcast Coffee Break: Señal y Ruido recordarán la entrevista a Joaquim Matias en el episodio 116 (LCMF, 23 jun 2017). Además, les recomiendo la pieza en español de Joaquim Matias, «Desintegraciones de mesones B,» Inference 3 (23 Nov 2017), y en este blog «Crece la anomalía en mesones B de LHCb tras Moriond EW 2017», LCMF, 02 abr 2017. La figura de abajo está extraída de Adrian Cho, “In familiar decays, a whiff of new physics,” Science 356: 229-230 (21 Apr 2017), doi: 10.1126/science.356.6335.229.

Se ha estudiado la desintegración de un mesón B0, por convenio formado por un antiquark b (bottom) y un quark d (down), en un kaón K∗0, formado por un antiquark s (strange) y un quark d (down); nótese que en la figura se muestran sus antipartículas. Hay que recordar que el kaón K∗0 (se indica con un asterisco) tiene paridad par, JP=0+, siendo un estado excitado (o resonancia) del kaón K0 (sin asterisco) con paridad impar, JP=0; la paridad depende del momento angular orbital (L) de los quarks constituyentes del mesón, siendo impar para L=0 y par para L=1.

La desintegración del mesón B neutro en un kaón neutro es debida a la desintegración del quark fondo (bottom) en un quark extraño (strange), b → s + ℓ+ + ℓ, que se representa por un diagrama de Feynman de tipo pingüino (LCMF, 20 mar 2015); el quark b emite un bosón W virtual y se transforma en un quark t virtual; el bosón W virtual emite un bosón Z virtual, que se desintegra en el par leptón-antileptón (par muón-antimuón en el análisis de LHCb); y el bosón W virtual se recombina con el quark t virtual original dando lugar a un quark s.

Los diagramas tipo pingüino (LCMF, 05 sep 2010) reciben este nombre porque John Ellis apostó en 1977 que si perdía una partida de dardos contra Melissa Franklin tendría que incluir la palabra «pingüino» en su siguiente artículo científico. Los diagramas de tipo pingüino describen procesos raros (muy improbables o muy suprimidos) porque involucran un lazo (loop) en forma de triángulo con partículas virtuales de gran masa (quarks top y bosones W y Z). Recuerda que las partículas virtuales no son partículas, a pesar de su nombre, porque no cumplen con la relación energía-momento de Einstein (no son partículas on-shell), con lo que no son observables; las partículas virtuales son excitaciones de vacío de los campos cuánticos asociados, simples mediadores responsables de los intercambios de energía entre dichos campos cuánticos, siendo necesarias para explicar ciertas desintegraciones de partículas en partículas. En un diagrama de Feynman solo son observables las partículas exteriores; todas las «partículas» internas del diagrama son partículas virtuales imposibles de observar.

El análisis publicado por LHCb de las desintegraciones de mesones B neutros en kaones neutros se basa en una serie de parámetros técnicos que describen la distribución angular de los muones resultado de la desintegración. El mesón K∗0 se desintegra en un kaón cargado y un pión de carga opuesta, K∗0 → K+π, así el número de sucesos candidatos a la desintegración del mesón B0 se parametriza por la masa invariante de las partículas observadas, m(K+πμ+μ), y por tres ángulos, Ω = (cos θl, cos θK, φ). En el sistema de referencia en el que el par muón-antimuón está en reposo, θl  es el ángulo entre el muón (antimuón) y el mesón B (antimesón B); en el sistema de referencia en el que el kaón K∗0 está en reposo, θK  es el ángulo entre el kaón cargado y el mesón B; finalmente, φ es el ángulo entre las normales de los planos definidos por el par muón-antimuón y el par kaón-pión.

La fórmula en esta figura muestra los observables (coeficientes que multiplican los productos de funciones trigonométricas) que se usan para la medida de la violación de la simetría CP en las desintegraciones de mesones B neutros. En concreto, describe cómo varía el promedio de la anchura (Γ) de la resonancia asociada a las desintegraciones de mesones y antimesones B neutros. Como se ve en la figura, la definición técnica es complicada, al involucrar tres ángulos diferentes y productos de funciones trigonométricas asociadas a cada uno. No pretendo explicar esta fórmula en detalle, pues los lectores que podrían entenderla no le necesitan y para los demás aportará poco.

La estimación teórica de estos parámetros angulares asociados a estas desintegraciones tan raras requiere cálculos complicados en cromodinámica cuántica (QCD), la teoría que describe interacción entre quarks y gluones, tanto a nivel perturbativo como no perturbativo. Las correcciones no perturbativas son difíciles de evaluar, por lo que existe el riesgo de que en los cálculos se cometan errores sistemáticos que induzcan una anomalía inexistente. Desde 2005 se han desarrollado unos observables normalizados que permiten factorizar la parte no perturbativa y facilitan los cálculos teóricos. La Colaboración LHCb ha usado las estimación teóricas del equipo ASZB (Altmannshofer, Bharucha, Straub, Zwicky), liderada por David M. Straub (Universidad Técnica de Múnich, Garching, Alemania), obtenida entre 2016 para los parámetros FL, AFB, y S5, y la del equipo DHMV (Descotes-Genon, Hofer, Matias, Virto), liderada por Joaquim Matias (Universitat Autònoma de Barcelona, España), para el parámetro P´5. Para la estimación de los ángulos en las colisiones por el método ASZB se ha usado un software en Python llamado Flavio.

Para el parámetro P´5  esta figura muestra dos anomalías con una significación estadística de 2.5 y 2.9 sigmas, que han bajado ligeramente respecto a a las 2.8 y 3.0 sigmas que se observaron con los datos de LHC Run 1. La bajada es pequeña, con lo que la anomalía sigue siendo de unas tres sigmas. Las anomalías para los otros parámetros son de menor significación.

Seguro que te preguntas, caso de que se confirme esta anomalía, ¿cuál puede ser la causa? Hay muchas explicaciones teóricas posibles, pero las más razonables son o bien un nuevo bosón Z’ de gran masa (más allá del alcance del LHC), asociado a una nueva simetría U(1) en el modelo estándar, o bien la existencia de leptoquarks LQ, partículas de tipo bosón capaces de transformar los quarks y los leptones dentro de una misma familia (recuerda que el modelo estándar tiene tres familias de partículas). En ambos casos, se trata de predicciones de las teorías de gran unificación (GUT), con lo que su descubrimiento indirecto sería un gran impulso observacional para estas teorías.

En resumen, el LHC ha observado múltiples anomalías de pequeña significación respecto a las predicciones del modelo estándar. Interpretadas por separado parece razonable que sean producto de fluctuaciones estadísticas o de sesgos introducidos por errores sistemáticos en los análisis. Sin embargo, si las interpretamos juntas varias de ellas (y en muchos casos se puede) su significación crece y apunta a física más allá del modelo estándar. Pero siendo producto de desintegraciones muy raras, su análisis es complicado y lento, con lo que estas anomalías prometen acompañarnos durante toda la próxima década (recuerda que se inicia en 2021). Crucemos los dedos y disfrutemos de la física de partículas, que es apasionante.



20 Comentarios

  1. Hola Francis,

    Esta bien tener noticias diferentes en estos tiempos.
    Estas anomalias que mencionas tienen que ver también con la violation de la universalidad leptonica?

    gracias

    1. Javier, LHCb también ha estudiado la posible violación de la universalidad leptónica usando mesones B neutros y ha encontrado alguna anomalía sin explicación. Ambas anomalías podrían estar relacionadas (y podrían tener una fuente común), pero no se sabe con seguridad; que se hayan usado mesones B neutros en ambos casos no implica que deban estar relacionadas, y podría haber una simple coincidencia. Ahora mismo no se puede decir nada más.

  2. Hola, Francis. ¿Podrías explicar escuetamente y en lenguaje profano la diferencia entre errores sistemáticos y errores estadísticos?

    1. Con todo mi respeto y pidiendo perdón por mi ignorancia
      me parece una falta de respeto preguntar cosas muy sencillas
      sin hacer un mínimo esfuerzo de consultar la wikipedia o buscar en google

      Como lector asiduo de este magnifico blog creo que Francis tiene cosas mucho mas complicadas en las que emplear su tiempo, que en cosas tan simples que quizas pueda resolverte un profano como yo.

      Error sistematico : Error en la toma de datos (debido a la configuracion del experimento)
      https://es.wikipedia.org/wiki/Errores_sistem%C3%A1ticos

      Error estadistico: Error en el tratamiento de datos ( debida a las soluciones matemáticas aplicadas)
      hay muchos tipos:
      https://es.wikipedia.org/wiki/Error_est%C3%A1ndar
      https://es.wikipedia.org/wiki/Error_muestral
      https://es.wikipedia.org/wiki/Errores_de_tipo_I_y_de_tipo_II
      (y mas)

      Recomiendo entusiastamente leer la wikipedia para aclarar conceptos matemáticos,
      que cada vez tiene mas y mejores artículos que también dan enlaces interesantes.
      Aprovecho para felicitar a sus redactores.

      1. Supongo que tienes razón, Miguel. Lo siento. Seguiré tu consejo. Aunque he de decir que no era mi intención faltarle al respeto a nadie y menos al autor del blog.

      2. Yo quería saber si en los comienzos del universo antes que se acoplara el campo de Higgs a los fermiones pudieron existír por ejemplo electrones sin masa ?

  3. Leí esto por ahí (me dejó intrigado) y quería saber si tiene algo de cierto , como no encontré una entrada actual sobre el tema en particular de la materia oscura, lo dirijo aquí . «A muy grandes escalas, escalas de miles de millones de años luz, parece que la materia oscura replica la organización que observamos en la materia ordinaria, concentrándose en grandes masas y largos filamentos, con grandes vacíos entre ellos, formando una especie de tejido esponjoso, al modo como se organiza la materia ordinaria»

    1. Valaco, en escalas cosmológicas los modelos de formación de galaxias así lo predicen; y las pocas observaciones que tenemos también lo apoyan. Hay que recordar que el 80% de la materia es materia oscura, luego toda la dinámica de la materia está controlada por la dinámica de la materia oscura. Según nuestras ideas actuales, la materia bariónica se concentra en las regiones donde se concentra la materia oscura; de hecho, basta simular la materia oscura para entender bien la formación de estructuras a escalas cosmológicas; la materia bariónica cambia solo los pequeños detalles a escala galáctica, como el número de galaxias enanas que interaccionan por canibalismo galáctico con una galaxia; todo lo que sabemos apunta a que la materia oscura es la que controla las estructuras de la materia a gran escala.

  4. Ignoraba totalmente esta característica de la materia oscura, que maravilloso visto así a escala cósmica, ahora mi imaginación me lleva a pensar si sería posible que la materia oscura también constituyera un universo? … aunque pensándolo mejor, quizás su excesiva densidad impide tener la dinámica con la que cuenta nuestra materia ordinaria.

    1. Nico, constituye nuestro universo. Supongo que te refieres a si puede haber átomos, moléculas y objetos macroscópicos de materia oscura. Pero no, no es posible, la materia oscura no interacciona consigo misma como para formar dichos objetos (si lo hace es de forma extremadamente débil, comparable a la interacción de los neutrinos con la materia bariónica). Si interaccionara mucho más nuestro universo sería completamente diferente a como sabemos que es.

      1. Que interesante, es posible entonces que sin la acción de la materia oscura curvando el espacio fuertemente debido a su alta densidad , la materia ordinaria no se hubiera podido organizar para formar las macro estructuras donde nacieron las primeras estrellas?

    1. Ferdinan, ningún campo. La carga de los electrones es, por definición, el acoplamiento del campo electrónico al campo electromagnético. ¿Por qué los electrones están acoplados al campo electromagnético? Nadie lo sabe. La ciencia responde los cómos, nunca los porqués.

      1. Nunca he leído que alguien defina un electrón por ejemplo, considerando todas las partes de las que está hecho por decirlo de alguna forma , me refiero a campos ,vacío asociado etc etc. Una cronología de cómo se fueron acoplando los campos y emergieron atributos como el espín y otros . Donde podré encontrar esa información ?.

        1. Galo, ¿has leído algún libro de teoría cuántica de campos? ¿Algún libro divulgativo sobre física de partículas? Busca en la web y encontrarás miles de fuentes donde te explicarán lo que preguntas con todo lujo de detalles.

    2. Hola Francis, si el electrón es el resultado de la interacción localizada en cierta región del “espaciotiempo” entre ciertos campos . Cuales son éstos?

        1. Y a este campo electrónico se le acoplaron en los inicios del universo el campo de Higgs que le entrega la masa y el electromagnético la carga?

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