LHCb observa una anomalía en la universalidad leptónica con 3.1 sigmas

Por Francisco R. Villatoro, el 24 marzo, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 5

La universalidad leptónica es una predicción del modelo estándar: la única diferencia entre las desintegraciones débiles a electrones, muones y leptones tau es debida a su masa, que es irrelevante para desintegraciones de partículas de muy alta energía. LHCb observó una violación de la universalidad leptónica a 2.6 sigmas usando colisiones del LHC Run 1. Al añadir colisiones del LHC Run 2 en 2015 y 2016 la anomalía se redujo a 2.5 sigmas (LCMF, 22 mar 2019). Ahora se publica que al añadir colisiones del LHC Run 2 en 2017 y 2018 la anomalía crece a 3.1 sigmas. Un gran revuelo mediático acompaña al paso de la barrera de las 3 sigmas; también entre los físicos teóricos que proponen explicaciones. Sin embargo, debemos ser muy cautos, no hay tanta diferencia entre 2.6 y 3.1 sigmas. Habrá que esperar a ver cómo evoluciona este valor tras el análisis de las colisiones del LHC Run 3.

Se han analizado 9 fb-1 colisiones combinando las colisiones del LHC Run 1 y del LHC Run 2. Se ha estimado el cociente RK = ( BR( B+ → K+μ+μ) / BR( B+ → J/ψK+ → μ+μK+) / ( BR( B+ → K+e+e) / BR( B+ → J/ψK+→ e+eK+) ) 0.846+0.042-0.039+0.013-0.012, que está a 3.1 sigmas de RK = 1. Para valorar este resultado hay que compararlo con el obtenido a 2.5 sigmas por LHCb hace dos años, que era RK = 0.846+0.060-0.054+0.016-0.014. Cuesta trabajo notar la diferencia, pues la mediana no ha cambiado; se ha reducido un poco la incertidumbre estadística (al pasar de 5 fb-1 a 9 fb-1  de colisiones, casi el doble) y muy poco la incertidumbre sistemática (al mejorar los modelos teóricos). Basta comparar su nuevo resultado con los de Babar (en verde) y Belle (en azul) para afirmar que se trata de todo un éxito de LHCb.

¿Apunta esta anomalía a nueva física más allá del modelo estándar? Obviamente, el gran deseo de que así sea puede sesgar nuestro juicio. La interpretación más parsimoniosa es que las anomalías a unas 3 sigmas son el pan de cada día en el análisis de magnitudes que combinan múltiples modos de desintegración (vuelve a ojear la definición de RK para convencerte). Auguro que el LHC Run 3 estará repleto de este tipo de anomalías. El nuevo artículo es LHCb collaboration, «Test of lepton universality in beauty-quark decays,» Nature Physics (submitted), arXiv:2103.11769 [hep-ex] (22 Mar 2021). El resultado se anunció en la charla de Dan Moise (on behalf of the LHCb collaboration), «Test of lepton flavour universality in b → sℓ+ decays at LHCb,» Moriond EW 2021 (23 Mar 2021) [slides PDF].

Las desintegraciones estudiadas por LHCb se describen mediante diagramas de Feynman de tipo pingüino (en la figura, arriba a la izquierda). El cálculo de las predicciones del modelo estándar para las fracciones de desintegración B+ → K+μ+μ, y B+ → K+e+e, es muy complicado; la mayor fuente de incertidumbre es debida a los efectos cromodinámicos, que requiere usar el régimen no perturbativo. Sin embargo, el efecto cromodinámico se puede factorizar y, por tanto, cancelar si se estudia su cociente; gracias a ello se puede calcular BR( B+ → K+μ+μ) / BR( B+ → K+e+e) con errores menores del 1 %. Lo mismo pasa con las desintegraciones B+ → J/ψK+ → μ+μK+), y B+ → J/ψK+→ e+eK+. A pesar de ello, para observar fenómenos muy improbables conviene recurrir a una magnitud que sea conocida de forma exacta; por ello se usa el cociente de estas cuatro fracciones de desintegración, llamado RK (véase la figura). La observación de un valor RK < 1 implica una fluctuación estadística espuria o la existencia de nueva física que incumpla la universalidad leptónica modificando las predicciones del modelo estándar.

¿Cuál puede ser la causa de la violación de la universalidad leptónica observada por LHCb? Hay muchas explicaciones teóricas, pero las más razonables son o bien un nuevo bosón Z’ de gran masa, es decir, una nueva simetría U(1) que se añadiría al modelo estándar, o bien la existencia de leptoquarks LQ, partículas de tipo bosón capaces de transformar los quarks en leptones dentro de la misma familia. En la figura (tomada del artículo de LHCb) se presenta esta última posibilidad; en concreto, el LQ tendría una carga eléctrica −2/3 (en los dos vértices mostrados se cumple la conservación de la carga eléctrica +1/3 = −2/3 + 1, y −2/3 = −1 + 1/3). Los leptoquarks tienen número leptónico y bariónico, siendo estados tripletes para la hipercarga de color. Nada en el modelo estándar prohíbe su existencia. Más aún, muchas teorías de gran unificación (GUT) predicen su existencia (también predicen la existencia de un bosón Z’). Para explicar las observaciones de LHCb la masa de los leptoquarks debería ser muy grande, mucho más allá de lo que puede observar el LHC, incluso de lo que podrá observar el futuro HL-LHC; estos colisionadores solo pueden observar un leptoquark de forma indirecta. Su observación directa (si existen) tendría que esperar a la segunda mitad del siglo XXI.

Por supuesto, hay otras explicaciones, pero que haya explicaciones para una anomalía no significa que que la anomalía sea real. Hasta que no se superen las cinco sigmas (algo que no parece posible que logre el LHC Run 3, luego habrá que esperar al HL-LHC) debemos considerar esta violación de la universalidad leptónica como un indicio interesante, pero nada más. Recuérdalo incluso si el revuelo entre los físicos teóricos te hace dudar de mis palabras.

 

Fuente:: CERN Courier (2021) https://cerncourier.com/a/new-data-strengthens-rk-flavour-anomaly/

Quizás te preguntes cuál será el futuro de esta anomalía observada por LHCb. Esta figura muestra cómo ha ido evolucionando conforme crecía la luminosidad integrada hasta 9 fb-1. En el LHC Run 3 se espera que LHCb acumule unos 25 fb-1 para ~2025. Las mejoras en el detector LHCb y el incremento de la luminosidad en el futuro HL-LHC prometen unos 50 fb-1 para ~2030 y unos 200 fb-1 para ~2035; estas estimaciones están extraídas de LHCb collaboration, «Physics case for an LHCb Upgrade II. Opportunities in flavour physics, and beyond, in the HL-LHC era,» arXiv:1808.08865 [hep-ex] (27 Aug 2018). Sin lugar a dudas, la próxima década promete ser apasionante.



5 Comentarios

  1. Hola Francis, he visto que Fermilab g-2 va a anunciar el 7 de abril sus resultados del run 1 sobre el momento magnetico del muon. A estas alturas no se espera que tengan suficientes datos como para zanjar el asunto pero sera interesante ver si sus resultsdos son compatibles con los de Brookhaven de 2001. Sea como sea, mi pregunta es, si las anomalias de mesones B y la anomalia del momento magnetico del muon podrian deberse a alguna causa comun (sea el Z’ o sean LQs)…

    PS: una entrevista a Joaquim Mattias (UAB) en coffe break sobre todo este asunto seria muy interesante 🙂

    Un saludo!

    1. Javier, se han propuesto varias explicaciones comunes a ambas anomalías (p. ej. la reciente «Scalar leptoquarks in leptonic processes,» JHEP 2021: 182 (2021), doi: https://doi.org/10.1007/JHEP02(2021)182). Pero en general se prefieren explicaciones independientes, pues requieren forzar menos el modelo.

      Sin lugar a dudas sería interesante una nueva entrevista a Quim Mattias en Coffee Break. El anuncio de los primeros resultados de Muon g-2 el próximo miércoles 7 de abril a las 16:00 (Madrid) puede ser una excusa perfecta para ello.

  2. «Las desintegraciones estudiadas por LHCb se describen mediante diagramas de Feynman de tipo pingüino (en la figura, arriba a la derecha).»

    ¿No es el de la izquierda?

  3. Gracias por esta gran entrada (y su espléndido seguimiento de esta situación).

    Me permito compartir un texto bastante interesante (y meramente reflexivo) sobre la anomalía y el estado actual de la física de partículas:

    «I feel pretty sure to say that this is the relatively most uncertain time that I have seen in the last fifty years of Particle Physics»
    A view of flavour physics in 2021 https://arxiv.org/abs/2103.15635 .

    Gracias, Francis.

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