ATLAS (LHC) descarta la anomalía en la universalidad leptónica observada por LEP-2

Por Francisco R. Villatoro, el 10 agosto, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 4

El gran colisionador electrón-positrón LEP-2 (CERN) observó una anomalía a 2.7 sigmas en la universalidad leptónica de las desintegraciones de bosones W en leptones tau. En concreto, BR(W → τν) / BR(W → eν) = 1.070 ± 0.029, y BR(W → τν)/BR(W → μν) = 1.076 ± 0.028, cuando el modelo estándar predice la unidad. Como el LHC es una fábrica de quarks top, que se desintegran en bosones W, permite estudiar dicha anomalía para muones. ATLAS usa 139 /fb de colisiones protón-protón a 13 TeV c.m. del LHC Run 2 para estimar BR(W → τν) / BR(W → μν) = 0.992 ± 0.013, compatible con el modelo estándar. La vieja anomalía de LEP-2 desaparece gracias al LHC Run 2; estoy seguro de que pronto CMS publicará un resultado similar.

Por supuesto, este resultado no afecta a otras anomalías de la universalidad leptónica observadas por LHCb en las desintegraciones de mesones B cargados. Aunque también están mediadas por bosones W, se observan en la desintegración del mesón B no en las del W intermediario; por ello, son independientes de estas últimas, pudiendo ser señal de una nueva partícula que medie un nuevo canal de desintegración del mesón B. Pero la solución de esta anomalía gracias a ATLAS (que seguro que confirmará CMS), unos 17 años después de su publicación por parte de los cuatro detectores de LEP-2, nos recuerda que las anomalías que apuntan a nueva física, por muy prometedoras que nos parezcan, no se pueden descartar como simples fluctuaciones estadísticas que acaban desapareciendo conforme pasan los lustros.

El artículo es ATLAS Collaboration, «Test of the universality of τ and μ lepton couplings in W-boson decays from tt events with the ATLAS detector,» CERN-EP-2020-139, arXiv:2007.14040 [hep-ex] (28 Jul 2020); la vieja anomalía se publicó en The ALEPH Collaboration, The DELPHI Collaboration, The L3 Collaboration, The OPAL Collaboration, The LEP Electroweak Working Group, «Electroweak Measurements in Electron-Positron Collisions at W-Boson-Pair Energies at LEP,» Physics Reports 532: 119-244 (2013), doi: https://doi.org/10.1016/j.physrep.2013.07.004, arXiv:1302.3415 [hep-ex] (14 Feb 2013). Más información divulgativa en Adam Falkowski (Jester), «Death of a forgotten anomaly,» Résonaances, 01 Aug 2020.

En este blog te recomiendo leer «El último resultado de LHCb sobre la universalidad leptónica reduce la anomalía de 2.6 sigmas a 2.5 sigmas», LCMF, 22 mar 2019; «Nuevo resultado de LHCb sobre la violación de la universalidad leptónica en el parámetro R(D*)», LCMF, 28 abr 2018; «LHCb observa otra anomalía asociada a la universalidad leptónica», LCMF, 20 nov 2017; entre otras.

El colisionador LEP (Large Electron-Positron collider) del CERN ocupaba el túnel de 27 km que ahora aloja a LHC (Large Hadrons Collider). Disponía de cuatro detectores (ALEPH, DELPHI, L3 y OPAL) y empezó a operar en agosto de 1989; su objetivo era ser una fábrica bosones Z, que permitieron obtener tests de precisión del modelo estándar (como la demostración de que solo existen tres familias de neutrinos de pequeña masa). Su segunda fase se llamó LEP 2 (a veces LEP200, o LEP-II), que se inició en noviembre de 1995 y finalizó en noviembre de 2000. Se observaron múltiples anomalías, como un posible bosón de Higgs con una masa de unos 115 GeV/c², que hoy sabemos que fue una falsa alarma pues su masa es de 125 GeV/c². Algunas de estas viejas anomalías aún siguen «vivas y coleando», a la espera de un futuro colisionador leptónico; quizás el futuro CEPC (Circular Electron Positron Collider) chino, que con un túnel de 100 km será una fábrica de Higgs (LCMF, 18 sep 2018).

Los colisionadores hadrónicos son muy «sucios» comparados con los leptónicos, lo que no impide que puedan resolver algunas de las anomalías observadas por LEP-2, como acaba de ocurrir con la universalidad leptónica en la desintegración de los bosones W en leptones tau y en muones; para resolver la anomalía en leptones tau y en electrones quizás haya que esperar al futuro HL-LHC. Mucha gente piensa que la física de partículas está en una fase aburrida porque no se esperan noticias que copen portadas como ocurrió con el anuncio del bosón de Higgs. Sin embargo, los buenos aficionados seguimos atentos a sus continuos progresos, que no cejan.

Las anomalías en la universalidad leptónica observadas por LHCb están asociadas a los diagramas de tipo pingüino, pues a nivel de árbol están prohibidas las llamadas desintegraciones asociadas a corrientes neutras que cambian el sabor (FCNC, por Flavour-Changing Neutral Currents). Hay varias anomalías a unas tres sigmas y pico, que nos resumen David Gerick, «Electroweak Penguin Decays at LHCb,» ICHEP 2020 (30 jul 2020), y Carla Marin Benito, «Lepton Flavour Universality tests in electroweak penguin decays at LHCb,» ICHEP 2020 (31 jul 2020).



4 Comentarios

  1. Una vez más, excelente artículo Francis. Me gustaría sacar a colación una observación muy ingenua de alguien ajeno a la física experimental.

    Al margen de que la robustez de los modelos teóricos parece indiscutible, me gustaría resaltar la magnitud de la significancia estadística que se exige en física de partículas para reclamar un descubrimiento. Lo que aquí desde el primer momento se ha considerado una “anomalía” propia de una fluctuación estadística, en otros campos, como por ejemplo la biología o medicina, esta potencia estadística estaría muy cerca ser suficiente para justificar publicaciones en revistas relevantes.

    Un saludo

    1. Cierto, Jon, pero recuerda que una luminosidad integrada de un inverso de femtobarn son unas 100 billones de colisiones protón-protón en el LHC; en biología o medicina rara vez se usan millones de datos y nunca se usan billones de datos; ATLAS y CMS han acumulado más de 135 /fb de colisiones en el LHC Run 3, luego más de 13 mil billones de colisiones.

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