Las desintegraciones de mesones en cuatro leptones suelen estar mediadas por dos fotones (como en el caso de los mesones cuasiescalares π⁰ y η). La excepción ocurre cuando la simetría discreta de conjugación de carga (C) de las interacciones fuerte y electromagnética las prohíbe; en dicho caso, como con el charmonio J/ψ, solo se observan las desintegraciones mediadas con un solo fotón, que tienen una probabilidad muy baja. El detector chino BESIII publicó en marzo de 2024 la observación de las desintegraciones en cuatro electrones J/ψ→e⁺e⁻e⁺e⁻, y en dos electrones y dos muones J/ψ→e⁺e⁻μ⁺μ⁻; pero no logró observar la desintegración en cuatro muones J/ψ→μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻, unas diez veces menos probable. En 2024, tanto CMS como LHCb han logrado observarla a más de cinco sigmas usando colisiones protón-protón a 13 TeV c.m. del LHC Run 2. En concreto, CMS tras analizar 33.6 fb⁻¹ de colisiones de 2018 estimó una fracción de desintegración (branching ratio) de BR(J/ψ→μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻) = (1.01 ± 0.30) × 10⁻⁶, mientras LHCb tras analizar 5.4 fb⁻¹ de colisiones entre 2016 y 2018 obtuvo (1.13 ± 0.11) × 10⁻⁶, ambas en buen acuerdo con la predicción del modelo estándar (9.74 ± 0.05) × 10⁻⁷ (que está basada en la electrodinámica cuántica, QED). La física de partículas de precisión, que explora desintegraciones de muy baja probabilidad, podría desvelar pequeñas desviaciones respecto al modelo estándar debidas a nuevas interacciones o nuevas partículas. Este no ha sido el caso.

Me gustaría destacar la utilidad de combinar resultados de diferentes detectores, en este caso, BESIII, CMS y LHCb. En BESIII es más fácil la detección de electrones que de muones, mientras que para CMS y LHCb esa fácil detectar muones que electrones. Así que para estudiar la desintegración del mesón J/ψ en cuatro leptones la sinergia entre estos tres detectores es ideal. El mesón J/ψ es un charmonio formado por un par quark y un antiquark de valencia de tipo encanto (charm); sus números cuánticos son J^PC = 1⁻⁻, luego es un mesón vectorial con espín total J = 1 (suma de los espines de sus quarks), siendo impar tanto para la paridad P = −1, como para la conjugación de carga C = −1. El fotón es un bosón vectorial con los mismos números cuánticos, J^PC = 1⁻⁻. Por ello, el mesón J/ψ no se puede desintegrar en dos fotones, ya que no se conservaría la conjugación de carga (para dos fotones sería (−1)(−1) = +1, en lugar de −1 para un solo fotón). Así, la desintegración del mesón J/ψ en dos muones está mediada por un fotón (γ) y su desintegración en cuatro muones requiere un fotón virtual (γ*) adicional (que también podría ser un bosón Z virtual (Z*) como ilustra el diagrama de Feynman de la figura). Esta última es la razón por la que estas desintegraciones son muy improbables.

Me han llamado la atención estos resultados por dos razones. Por un lado, porque destacan la necesidad de realizar tests de precisión de la QED (en este caso, se buscan violaciones de la simetría CP). Y, por otro lado, porque el artículo de BESIII apareció en arXiv en septiembre de 2021, pero no se ha publicado en Physical Review D hasta marzo de 2024 (el de CMS apareció en la misma revista en junio de 2024); un retraso tan grande en la revisión por pares no es algo habitual en los artículos de grandes colaboraciones de física de partículas. Los artículos son LHCb collaboration, «Study of the rare decay J/ψ→μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻,» arXiv:2408.16646 [hep-ex] (29 Aug 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2408.16646; CMS Collaboration, «Observation of the J/ψ → μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻ decay in proton-proton collisions at √s = 13 TeV,» Physical Review D 109: L111101 (06 Jun 2024), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.109.L111101, arXiv:2403.11352 [hep-ex] (17 Mar 2024); y BESIII Collaboration, «Observation of J/ψ decays to e⁺e⁻e⁺e⁻ and e⁺e⁻μ⁺μ⁻,» Physical Review D 109: 052006 (18 Mar 2024), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.109.052006, arXiv:2111.13881 [hep-ex] (27 Nov 2021).

Como suele ser habitual, el resultado más reciente es el que alcanza mayor significación estadística y, por tanto, el que resulta más informativo (y más fácil de entender para lo legos). Aquí se presenta el resultado de LHCb para los dos modos de producción estudiados. Como indica su nombre, LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) está especializado en el estudio de los mesones bellos (con quark b, bottom o beauty). Por ello los mesones J/ψ se pueden producir de forma directa (prompt), junto a mesones bellos, parte izquierda de la figura, o de forma indirecta (secondary), como resultado de la desintegración de un quark b, parte derecha de la figura. En ambos casos el exceso (bump) asociado a la desintegración J/ψ→μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻ se ve con extrema definición (gracias a que en el eje horizontal se usa la masa invariante asociada a los cuatro muones).

Esta figura muestra el resultado de CMS (a la izquierda). También es informativo, pues superó las siete sigmas (desviaciones típicas). A la derecha se compara con el resultado para desintegraciones en dimuones, J/ψ→μ⁺μ⁻. En estas figuras las incertidumbres de los datos experimentales se representan como rayas verticales que acompañan a los puntos negros. Estas dos figuras permiten comparar la gran diferencia entre las incertidumbres para una desintegración muy improbable (rare), de la que solo se observan decenas de sucesos (a la izquierda) con las de una una muy probable, de la que se observan unos millones de sucesos.

En esta figura se muestra el resultado negativo de BESIII para J/ψ→μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻ (abajo a la izquierda); no se observa ninguna señal significativa, luego solo se puede obtener un límite superior para la fracción de desintegración (abajo a la derecha). Se incluyen también los resultados para J/ψ→e⁺e⁻e⁺e⁻ (arriba a la izquierda) y para J/ψ→e⁺e⁻μ⁺μ⁻ (arriba a la derecha), que superan las cinco sigmas.