LHCb confirma la universalidad leptónica del modelo estándar en las desintegraciones de quarks bottom

Por Francisco R. Villatoro, el 21 diciembre, 2022. Categoría(s): Ciencia ✎ 15

La universalidad leptónica es una predicción del modelo estándar. El detector LHCb del LHC en el CERN observó con tres sigmas (LCMF, 24 mar 2021) que no se cumplía en las desintegraciones de quarks bottom; un claro indicio de nueva física más allá del modelo estándar. Pero la significación estadística bajó a menos de dos sigmas (LCMF, 23 oct 2021) hasta desaparecer del todo ahora; se publica en arXiv un análisis de desintegraciones de mesones B cargados y neutros con 9 fb⁻¹ de colisiones en el LHC entre 2011 y 2018 que muestra un perfecto acuerdo con el modelo estándar. Se han mejorado las técnicas de identificación de partículas para lograr una señal más pura (en análisis previos algunos hadrones se pudieron identificar de forma errónea como electrones); además se ha usado una nueva estimación de los sucesos de fondo (background) que mejora la sensibilidad a los leptones por unidad de luminosidad. Un gran logro de LHCb, a pesar de estar en contra de la esperanza de muchos físicos teóricos. Las mejoras han borrado de un plumazo el incumplimiento de la universalidad leptónica en estas desintegraciones observado en el pasado por LHCb. De nuevo el modelo estándar sale reforzado en su juventud y lozanía (¡qué bien lleva sus 50 años!).

Se han analizado las desintegraciones leptónicas de un quark bottom (b) en un quark extraño (s), b → s ℓ⁺ ℓ⁻, donde el leptón es un electrón o un muón, ℓ = {e , μ}. Estas desintegraciones son muy raras (su probabilidad es baja hasta el extremo), por lo que podrían estar afectadas por nuevas partículas de gran masa aún no descubiertas. En concreto, se han estudiado las desintegraciones de mesones B cargados B⁺ (ub) y neutros B⁰ (db), en concreto, B⁺ → K⁺ ℓ⁺ ℓ⁻, y B⁰ → K*⁰ ℓ⁺ ℓ⁻. Como muestra la figura se han estimado los cocientes entre las probabilidades de desintegración (ℬ por branching ratios), sean RK = ℬ(B⁺ → K⁺ μ⁺ μ⁻) / ℬ(B⁺ → K⁺ e⁺ e⁻), y  RK* = ℬ(B⁰ → K*⁰ μ⁺ μ⁻) / ℬ(B⁰ → K*⁰ e⁺ e⁻), obteniéndose RK(q² bajo) = 0.994+0.094−0.087, RK(q² central) = 0.949+0.048−0.0477, RK*(q² bajo) = 0.927+0.099−0.093, y RK*(q² central) = 1.027+0.077−0.073, donde q² es la masa invariante de los dos leptones (q² bajo significa 0.1 < q² < 1.1 GeV² y q² central 1.1 < q² < 6.0 GeV²). Este resultado está de acuerdo con la predicción del modelo estándar RK = RK* = 1. Nuestro gozo en un pozo.

¿Qué pasará con otros indicios de violación de la universalidad leptónica en análisis b → c ℓ⁻ ν y en otros canales b → s ℓ⁺ ℓ⁻ que se estudian con LHCb? Siento ser aguafiestas (máxime en fiestas navideñas), pero creo que también desaparecerán. Los nuevos artículos son LHCb collaboration, «Measurement of lepton universality parameters in B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻ and B⁰→K*⁰ℓ⁺ℓ⁻ decays,» arXiv:2212.09153 [hep-ex] (18 Dec 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2212.09153, y LHCb collaboration, «Test of lepton universality in b→sℓ⁺ℓ⁻ decays,» arXiv:2212.09152 [hep-ex] (18 Dec 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2212.09152. Más información divulgativa en «Improved lepton universality measurements show agreement with the Standard Model,» LHCb, 20 Dec 2022, y Davide Castelvecchi, «Hint of crack in standard model vanishes in LHC data,» Nature, 20 Dec 2022. [PS 28 dic 2022] He añadido un coda a esta pieza al hilo del artículo de Marco Ciuchini, Marco Fedele, …, Mauro Valli, «Constraints on Lepton Universality Violation from Rare B Decays,» arXiv:2212.10516 [hep-ph] (20 Dec 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2212.10516. [/PS]

Los diagramas de Feynman (de tipo pingüino) más relevantes en el modelo estándar (SM) para las desintegraciones b → s ℓ⁺ ℓ⁻ analizadas por LHCb se muestran en esta figura (arriba). Estas desintegraciones son muy raras (o muy improbables) porque sus diagramas involucran dos bosones vectoriales o un bosón vectorial y quark top (al ser partículas de gran masa su producción en las colisiones de protón contra protón es muy excepcional). Cualquier incumplimiento de la universalidad leptónica sería una señal de nueva física más allá del modelo (BSM); los diagramas de Feynman de abajo muestran un hipotético bosón Z prima y los leptoquarks como potenciales responsables de las observaciones previas (en artículos teóricos también se han barajado otras posibilidades, pero estas son las más populares). Por fortuna, para quienes confían en el modelo estándar, y por desgracia, para quienes ansían física más allá del modelo estándar, las nuevas colisiones de LHCb se explican perfectamente con los diagramas de Feynman de arriba, sin necesidad de ninguno de los de abajo.

Los nuevos resultados de LHCb muestran un excelente acuerdo con las predicciones el modelo estándar. El incumplimiento de la universalidad leptónico era uno de los primeros resultados relevantes del LHC tras el descubrimiento del Higgs; los primeros indicios observados por LHCb se publicaron en 2014 y se han seguido observando desde entonces hasta ahora. La hipótesis de que su origen es nueva física (corrientes neutras que cambian el sabor, o FCNC) siempre se ha confrontado con la posibilidad de errores sistemáticos en la estimación de la predicción del modelo estándar; como se usaban cocientes de probabilidades de desintegración la mayoría de dichos efectos se compensan, pero no todos.

La mayor incertidumbre teórica está asociada a los diagramas de Feynman tipo pingüino con encanto, como los mostrados en esta figura. Estos diagramas pueden afectar al acoplamiento entre los bosones vectoriales y los leptones, pero su estimación teórica es difícil con las técnicas actuales; el cálculo con gran precisión de su contribución todavía es un problema abierto. El nuevo resultado de LHCb reduce de forma drástica la necesidad de estos cálculos. Sin embargo, creo que sigue siendo necesario mejorar las técnicas de estimación teórica de esta contribución, que podría ser relevante en futuros análisis. La combinación ganadoras conlleva, además de mejoras en los análisis de colisiones, el desarrollo de nuevas técnicas teóricas para la estimación de las predicciones del modelo estándar.



15 Comentarios

  1. Hola Francis,
    En cuanto a posibles nuevas particulas recuerdo este paper de Maldacena y Arkani-Hamed? https://arxiv.org/abs/1503.08043
    El paper lo colgaron en arxiv seguramente debido al hype que se monto entorno a la falsa deteccion de BICEP2 de los modos B del CMB.

    Es extraño que saliera en 2015 pero aun no esté publicado en ninguna peer review no?? Se sabe entre la comunidad de fisica de altas energias por que ese papaer no ha sido publicado en una revista?

    Saludos!

    1. Javier, no conozco el porqué no se ha publicado en una revista, pero conjetura que la razón es que no fue enviado a ninguna revista; el artículo se escribió para arXiv. Este tipo de ideas tan exóticas y radicales suelen aparecer en arXiv y se quedan allí.

  2. El LHC reafirma de nuevo al modelo estándar al mismo tiempo que enfría las espectativas de que una mayor luminosidad vaya a servir para algo más que para reforzar todavía más este modelo. La nueva física, de haberla, parece claro que se encuentra a niveles de energía inalcanzables por el LHC. Y un digno sucesor que mejore considerablemente esta capacidad llevará varias décadas (más de dos) y decenas de miles de millones de euros.

    Es posible que ningún lector de este blog vea en vida y en funcionamiento al futurible sucesor del LHC (si es que se logra la financiación que esa es otra).

    1. Samu, todo lo contrario, la gran mayoría de lectores de este blog disfrutarán del futuro del LHC, el HL-LHC, y del CEPC chino, que parece que ir viento en popa (https://cerncourier.com/a/ihep-makes-the-case-for-accelerator-rd/). Y una amplia mayoría de los lectores de este blog también podrán disfrutar del chino SPPC, el digno sucesor del HL-LHC.

      En la conferencia Kruger 2022: Discovery Physics at the LHC hay una charla que afirma que se espera la próxima aprobación del CEPC que se empezará a construir en 2026; las primeras colisiones se esperan para 2036 y el inicio de la construcción del SPPC entre 2046 y 2050.

    2. El HL-LHC es solo el LHC vitaminado con mayor luminosidad. A la vista de lo que comentas en esta entrada es dudoso que vaya a servir para otra cosa que no sea reconfirmar el modelo estándar. Respecto a los trabajos chinos que comentas pues….xD

  3. Siento si la pregunta está fuera de lugar, pero… ¿Existe la posibilidad de que no haya física más allá del modelo estándar, y que podamos explicar todo nuestro universo sin salirnos del SM?

    1. Asmierno, en sentido estricto no existe dicha posibilidad, pues hay fenómenos físicos conocidos que el modelo estándar no explica. Sin embargo, podrían ser explicados con una pequeña modificación del modelo estándar, con lo que no habría que cambiar de nombre esta teoría (como no se hico cuando se incorporó la masa de los neutrinos). Para ello la física del campo de Higgs, que solo hemos explorado a baja energía, tendría que tener un comportamiento a alta energía que hoy en día se cree que requiere un gran ajuste fino, luego parece poco plausible. Además, la física de los neutrinos también exigiría un buen ajuste fino. Y, finalmente, sería necesaria la observación de ciertos efectos no lineales predichos por la cromodinámica cuántica y la interacción débil, que creemos que deberíamos haber observado en la Naturaleza y no lo hemos hecho, pero que como aún no los entendemos bien, podría haber algún ajuste fino que los posibilitara. Si además la gravitación de Einstein fuera una teoría asintóticamente segura, a pesar de no ser renormalizable, todo lo observado en el universo hasta ahora se podría explicar con pequeñas modificaciones del modelo estándar y la gravitación relativista, con lo que sus nombres no tendrían que ser cambiados. La mayoría de los físicos teóricos consideran esta posibilidad poco atractiva, porque requiere desagradables ajustes finos de parámetros; pero a día de hoy no se puede descartar.

      1. ¿En el caso de realizar todas las modificaciones necesarias al modelo estándar para explicar todas las observaciones tendría sentido seguir llamándolo modelo estándar?, ¿no sería la teoría del todo?

        (es cierto que la ToE hace referencia a la unificación,aquí simplemente hablamos de explicar todas las observaciones sin dar por hecho que existe unificación…)

        saludos

        1. No, Pedro, no creo que cambiasen el nombre. Máxime cuando no sería una teoría unificada, una teoría de todo, per se. Recuerda que el modelo estándar no unifica QCD con EW, sino que las hace compatibles; y tampoco unifica con la gravitación clásica. Solo una teoría cuántica de la gravitación de la que se pueda derivar una gran teoría unificada de la que se deduzca el modelo estándar puede llamarse teoría de todo; por eso, la gravedad cuántica de lazos no se suele llamar una teoría de todo, nombre que se reserva a la teoría de cuerdas/teoría M.

  4. Muy probablemente no, porque está claro que o la relatividad o el modelo estándar están mal o incompletos, y parece ser lo más lógico que este último al menos este incompleto

  5. Leí ya hace unos cuantos años en un artículo de ciencia ficción una teoría que venía a decir que todo lo que existe es un lego construido con solo dos cosas: espacio y gravedad. Son capas de espacio y gravedad de mayor a menor energía. La materia de estas capas se forma en los hornos de los primeros instantes de expansión al fusionar los cuantos de espacio y gravedad. En nuestro caso sería la materia formada en la capa superior, la materia y la energía oscura, la que por desintegración crearía los cuantos de espacio y gravedad de nuestro universo. Que pequeño podría ser este mundo, pues a lo mejor podría dar cierta idea el hecho de que la fuerza de la gravedad es más débil que la fuerza fuerte de las partículas atómicas en un orden de 10 -34.

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