viernes, 20 de marzo de 2015

¿Belleza más allá del modelo estándar?

When you have eliminated all the Standard Model explanations,
whatever remains, however improbable,
must be New Physiscs.
- Joaquim Matías, inspirado por Conan Doyle


Mientras media Europa está anodadada viendo el eclipse solar, también se están produciendo noticias en la física. Nos llegan desde La Thuile (valle de Aosta, Italia), en la conferencia Rencontres de Moriond.



Los protagonistas de esta historia son dos mesones, el \(B^0\), formado por un quark down y un antibottom, y el \(K^{*0}(892)\), compuesto por un down y un antistrange. Una de las posibles formas de desintegración del \(B^0\) es\[B^0 \to K^{0*}\mu^+ \mu^-\]Es una desintegración poco frecuente, se produce una vez cada diez millones. Esto no impidió que ya fuera observada en la anterior generación de colisionadores, en Tevatron. Los dos detectores más carismáticos del LHC, ATLAS y CMS, también la han visto. Pero las novedades nos llegan de otro de los detectores, LHCb.

Mientras que ATLAS y CMS son detectores de propósito general, LHCb está diseñado con una misión muy específica: estudiar la belleza. No es que se pongan a admirar obras de arte ni nada parecido. Belleza es el nombre en clave para el quark bottom y toda la física relacionada con él. Por ello, LHCb es la única herramienta capaz de desentrañar todos los detalles de esta reacción. 
En concreto, es capaz de medir los ángulos en los que salen despedidas las partículas producidas. Uno de los observables que se puede construir con la distribución de ángulos es el conocido como \(P_5'\), en función de la masa (al cuadrado) del sistema de los dos muones, \(q^2\). En 2013, tras analizar los datos correspondientes a 1 fb-1 colisiones, encontró una discrepancia con las predicciones del modelo estándar de 3.7 sigmas.
Casi cuatro sigmas puede parecer un resultado muy significativo. Pero no hay que dejarse llevar por la euforia. Las fluctuaciones estadísticas pueden estar conspirando en nuestra contra. En concreto, los datos podían estar afectados por el LEE (Look Elsewhere Effect): al buscar en un rango amplio de valores, la probabilidad de que se produzca una fluctuacion estadística muy improbable se incrementa considerablemente. ¿Qué se puede hacer? Tomar más datos, y ver si la significancia de la posible señal aumenta o se desvanece.

Los resultados presentados hoy corresponden a 3 fb-1 colisiones. La tensión de los datos experimentales con el modelo estándar sigue ahí, a 3.7 sigmas. Aún es pronto para cantar victoria, hacen falta más datos, que se recolectarán en la inminente temporada de LHC. Pero es posible que la cosa vaya en serio.

Si es así, ¿a qué se podría deber? Hay varias propuestas: Sin abandonar el modelo estándar, podría deberse a la intervención de un quark charm en el proceso de la reacción, y no incluido en los cálculos teóricos. Esta explicación peligraría si se confirmara otro de los resultados de LHCb en tensión con el modelo estándar: La diferencia de probabilidad entre la producción de electrones o de muones en la desintegración del \(B\) (según el modelo estándar los dos procesos deberían ser igualmente probables, pero se ha observado una diferencia del 25% con 4.3 sigmas, tras analizar 1 fb-1).

Al adentrarse en el mundo de la nueva física, las opciones son casi infinitas (hay más de 331 modelos capaz de explicar este fenómeno). La que más peso tiene es que la producción de los dos muones esté mediada por una nueva partícula, el bosón \(Z'\), parecido al ya conocido \(Z\) pero de masa mayor. Otra propuesta es la de que esta producción suceda mediada por un leptoquark, una hipotética partícula que mediaría en interacciones entre quarks y leptones.

Aún es pronto para saber si estamos ante nueva física, o solo ruido sin información útil. Solo el tiempo decidirá.


Para saber más

C. Langenbruch: Latest results on rare decays from LHCb. Rencontres de Moriond, 20 de Marzo de 2015
Joaquim Matías: Theory interpretation of  \(B \to K^{*}(\to K\pi)\mu^+ \mu^-\). Rencontres de Moriond, 20 de Marzo de 2015
David Straub: Implications of \(b\to s\) measurements for model building. Rencontres de Moriond, 20 de Marzo de 2015