Encuentran posibles señales de nueva física en el CERN

En física, un observable es una cantidad o propiedad de un sistema que puede ser medida y comparada con una predicción teórica. Ahora un equipo internacional de investigación ha presentado un análisis global de un conjunto de observables relacionados con un tipo de desintegración rara un tipo de partículas, los mesones B, medida en distintos experimentos: principalmente LHCb, Belle y también resultados preliminares de ATLAS y CMS.

Los resultados del análisis que incluye 30 observables muestra que el modelo estándar de física de partículas está desfavorecido como solución para explicar todos estos observables a un nivel de significancia de 5 desviaciones estándar (“5 sigmas”) con respecto a la solución de nueva física.

En búsquedas directas, una discrepancia de 5 sigmas se denomina convencionalmente descubrimiento. Si sólo se incluyen observables que testean universalidad del sabor leptónico, se encuentra evidencia de no universalidad en un rango entre 3 y 4 sigmas.

El equipo de investigadores que ha presentado esta semana los resultados está compuesto por Sebastien Descotes-Genon, director del Laboratoire de Physique Theorique (LPT, CNRS, Orsay ); Joaquim Matias, profesor de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) y investigador del Institut de Física d’Altes Energies (IFAE); Javier Virto, investigador postdoctoral en el Albert Einstein Center for Fundamental Physics (Universidad de Berna, Suiza); Lars Hofer, investigador postdoctoral del departamento FQA-ICC en la Universidad de Barcelona; Andreas Crivellin, investigador postdoctoral en el Paul Scherrer Institut (PSI, Villingen, Suiza); y Bernat Capdevila, estudiante de doctorado en la UAB e IFAE.

Las desintegraciones raras están suprimidas en el modelo estándar (ME) y, en consecuencia son un banco de pruebas excelente para buscar nueva física que puede competir con el modelo en estas desintegraciones. Ejemplos de ellas son la desintegración de un mesón B en una partícula de spin-1 llamada K* y dos muones, o un mesón B_s en dos muones.

Nueva física es una forma genérica de referirse a una teoría más fundamental que reemplazará el ME. Sabemos que este modelo no puede explicar distintas observaciones importantes como, por ejemplo, la existencia de materia oscura o la asimetría entre materia antimateria en el universo. Para el presente análisis global 30 observables han sido calculados y medidos en uno o más de los cuatro experimentos.

Cronología de un posible hallazgo

El primer paso importante se dio en 2005, en un trabajo donde se propuso una nueva clase de observables que iban más allá de los análisis tradicionales, y con una gran potencialidad para observar Nueva Física. Más tarde, en 2012 y 2013, el grupo de investigadores presentó un conjunto completo de esta clase de observables. En 2013, LHCb decidió llevar a cabo la medida por primera vez de estos observables y encontró una discrepancia de 3,7 sigmas con el ME.

LHCb confirmó la tensión en 2015 con más datos, y , un año después , Belle confirmó también la tensión con un resultado en muy buen acuerdo con LHCb. Hace pocas semanas, en la conferencia de Moriond, ATLAS y CMS presentaron resultados muy preliminares, por un lado ATLAS confirmaba la anomalía y CMS resultaba ser más consistente con el ME. Mientras tanto, se han medido una larga lista de otras desviaciones con respecto a ese modelo.

Un tipo especial de estas desviaciones proviene de dos observables llamados R_K y R_K*. Estos son cocientes de la desintegración de un mesón B^-(B ) en un  Kaón (o K*) y en un muon anti-muon o pareja electrón positrón. Se diseñaron para testear una propiedad del ME, llamada universalidad del sabor leptónico. Estos son observables extremamente limpios que contienen información importante. Primero, apuntan hacia indicios que la naturaleza podría violar universalidad del sabor leptónico y segundo, bajo esta hipótesis, las desviaciones observadas en el resto de observables son totalmente consistentes con ellos.   

Universalidad de sabor leptónico

La universalidad de sabor leptónico es una propiedad del ME que trata a los leptones de forma democrática a nivel de interacciones (con diferencias en las desintegraciones mencionadas más arriba proveniente de cocientes de masas de leptones). Esta democracia implica que uno debería esperar que las medidas de ambos observables R_K and R_K* fueran uno, pero en cambio, las medidas de ambos se encontraron alrededor de 0,75

Estos resultados abren un nuevo campo de investigación, y LHCb está ahora centrado en producir y medir una larga lista de este tipo de observables capaz de testear universalidad para intentar confirmar lo observado en R_K y R_K*. Algunos de estos nuevos observables podrían ser capaces de distinguir entre distintas posibilidades de Nueva Física.

Una posible solución a esta discrepancia con las predicciones del modelo estándar podría ser que estuviéramos viendo las primeras huellas de una nueva partícula, y dos posibles candidatos serían o bien un bosón de gauge Z’ (similar a la conocida partícula Z pero con diferentes acoplamientos a las partículas) o un leptoquark,una partícula hipotética. Esto requeriría una explicación en término de modelos.

O bien modelos que contengan una partícula Z’ con acoplamientos muy específicos (en particular, acoplamientos predominantemente a muones y no a electrones) o modelos que incluyen leptoquarks. Estos son una clase genérica de partículas presentes en modelos de gran unificación y que permiten interaccionar a leptones y quarks y que llevan carga de color y electro débil.