La medición de un raro decaimiento de un
mesón es un logro digno de celebración experimental, pero hasta ahora nada indica nueva física más allá del modelo estándar.
Una de las misiones más importantes del
Gran Colisionador de Hadrones del CERN es la búsqueda de fenómenos que no pueden ser explicados por el
modelo estándar de la física de partículas. En este contexto, el último resultado del experimento
LHCb, publicado en Physical Review Letters, es una victoria agridulce [ ver
aquí ]. La colaboración LHCb ha, por primera vez, observado evidencia de la descomposición muy rara de un mesón neutro en un par de
muones. Sólo alrededor de una de cada 300 millones de desintegraciones de mesones sucede de
esta manera, y no es poca cosa que el LHCb haya sido capaz de detectar los pocos que lo hacen. La velocidad a la cual ocurre el decaimiento también está de acuerdo con el valor calculado mediante el modelo estándar, un éxito teórico teniendo en cuenta la complejidad de los cálculos. Pero muchos físicos de partículas tenían la esperanza de que el acuerdo entre teoría y experimento no sería tan bueno, ya que una desviación habría sido una señal de que nueva física estaba en juego. Hasta ahora, no hay tales signos, pero en el futuro, la precisión de la medida mejorará considerablemente, permitiendo potencialmente que más pequeñas desviaciones de las predicciones del modelo estándar sean detectadas.
fig nº1,diagrama de Feynman representando el decaimiento de un neutral mesón Bsº a un par de muones μ+μ- la esfera verde en la parte izquierda señala al mesón el cual es un estado ligado de un quark strange y un antibottom quark .Este iradia dos bosones W e intercambia un quark top en el proceso.Los bosones W se fusionan en un bosón Z el cual produce a su vez los dos muones en el estado final.Crédito.APS/Alan Stonebraker.
A pesar de sus éxitos, el modelo estándar de la física de partículas elementales nos ha dejado una serie de misterios. En el modelo, hay seis
quarks. Tres de los quarks el
Up, el
Charm, y el
Top tienen carga eléctrica 2/3 Y tres, el
down, el
strange, y el
bottom tienen carga eléctrica -1/3
Al día de hoy no tenemos ninguna idea de por qué tenemos seis quarks y no, por ejemplo,solo dos (el up y el down) con los cuales formar a los
protones y
neutrones, los pilares fundamentales de la materia ordinaria. Otro enigma es el llamado
problema del sabor: no entendemos por qué las masas de los seis quarks son lo que son, o por qué varían en varios órdenes de magnitud. Las lagunas en nuestro conocimiento son un poco como tener la tabla periódica sin saber que los átomos consisten en electrones y núcleos. Pero esta analogía tiene sus límites: según nuestro conocimiento, los quarks son elementales a una escala de 10
-20 metros.
Una forma de responder a nuestras preguntas es el estudio de las interacciones de partículas que involucran a los quarks atípicos, el top y el bottom , ya que sus masas son mucho mayores que las masas de los otros quarks. (El quark
Bottom es, por ejemplo, casi 1000 veces más masivo que el quark down .)En los últimos 15 años, los físicos de partículas han así investigado las
propiedades del quark bottom mediante la medición de las desintegraciones de –
Mesones B, que son estados ligados entre un quark antibottom y otro quark. Antes del LHCb, estos experimentos fueron conducidos por 2 instalaciones una en el
KEK, en Japón, y la otra en el
SLAC en California, además del
Tevatron en el Fermilab.
En la búsqueda de nueva física, el mejor lugar para comenzar es donde la teoría actual dice que un evento no es probable que suceda: cualquier desviación sería grande en comparación con lo que esperamos. Es por ello,que el LHCb y los experimentos anteriores se han centrado en la búsqueda de la descomposición extremadamente rara de mesones B
sº estados ligados de un quark
extraño y un quark-antibottom en un par de muones (ver Fig. 1). Los
mesones son eléctricamente neutros y más del 90 % de ellos decaen a un
Mesón D(un mesón que contiene un quark charm) y otras partículas. Pero el modelo estándar predice que una pequeña fracción de los
Mesones B
sº 3.23±0.27x10
-9 Decaen a un par de muones [ ver
aquí ].
¿Por qué es esta desintegración tan rara? Por un lado, el B
sº
tiene
spín cero, pero debido a las interacciones del modelo estándar que conducen a la descomposición, los muones terminan con un spín total de 1. Para conservar el momento angular de espín,
un muón por tanto, debe voltear su spin, un proceso suprimido por el tamaño de la masa del muón respecto a la masa del meson B
sº al cuadrado-un
factor de alrededor de 3x10
-4. El segundo factor supresor existe porque en el decaimiento del , Bsº un quark bottom y un quark extraño se aniquilan en muones. Pero una característica especial del modelo estándar es que las transiciones que imvolucran quarks con la misma carga, como es el caso aquí, están muy suprimidas. (Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa recibieron el Premio Nobel 2008 por su contribución a nuestra comprensión de este importante punto (ver
aquí).)
Experimentalmente se trata de un enorme desafío observar tal decaimiento raro. Aunque las instalaciones de experimentación con mesones B tienen una
luminosidad muy alta, a diferencia del LHC, en gran parte trabajan por debajo del umbral de energía para la producción del mesón B
sº. El
experimento CDF en el Tevatron [ver
aquí,
aquí y
aquí ] establece los mejores límites a la tasa de desintegración de los mesones B
sºantes que el LHC, pero no alcanzando la sensibilidad del nuevo acelerador de partículas. Ahora, la medición del LHCb muestra que la tasa fraccional de la rara desintegración es 3.2±(
1.51.2)x10
-9. Es una de las más raras desintegraciones jamás
observadas y que está de acuerdo con el modelo estándar dentro de los errores experimentales, aunque estos errores, en 40%, son todavía bastante grandes.
La serie de factores de supresión antes expuestos es propio de la estructura del modelo estándar. Dado que la desintegración es tan rara, incluso una modesta contribución de la nueva física podría eclipsar la física del modelo estándar. En los días previos al último experimento del LHCb, las esperanzas eran altas de que los experimentadores podrían observar una anomalía en la tasa de desintegración, lo que podría proporcionar pistas para una solución al problema del sabor. Ahora sabemos que cualquier teoría candidata a la nueva física debe predecir nuevas aportaciones a esta desintegración especial para ser incluso más pequeñas que lo que el modelo estándar predice. Como resultado de ello, se ha sugerido en un artículo de la BBC News (ver
aquí) que la medición del LHCb ha asestado un "duro golpe" a la extensión más estudiada del modelo estándar, la
supersimetría. En mi opinión, esto no es del todo cierto, pero algunos antecedentes es necesario que se expliquen.
La supersimetría conjetura que todas las partículas conocidas tienen una respectiva "supercompañera", que sólo se diferencia por la mitad de una unidad de spin-todos los otros números cuánticos son los mismos. Así, por ejemplo, el electrón, un
fermión, tiene una supercompañera llamada el electrón escalar, o selectrón para abreviar. El selectrón es lo mismo que el electron en todos los sentidos, excepto que tiene espín cero, y es por lo tanto un
bosón. Además, su masa debe ser mayor.
Hay muchas versiones de la supersimetría. Resulta que en la"mínima" versión de la teoría, es decir, en la que se tiene el menor número de acoplamientos entre las partículas, la desintegración del meson B
sº también se suprime, pero por una combinación diferente de factores de los que aparecen en los cálculos del modelo estándar. Por un lado, aunque no se requiere el volteo del spin , la interacción supersimétrica implicada es suprimida por exactamente el mismo factor de la masa del muón sobre la masa al cuadrado del meson B
sº .
Y segundo, sabemos a partir de la búsqueda experimental de las partículas supercompañeras que, si existen, deben ser mucho más pesadas que sus contrapartes del modelo estándar, normalmente con masas superiores a los 1000 Gev/c2 [ ver
aquí ].En el cómputo supersimétrico, estas partículas entran como (pesadas)
partículas virtuales, y así suprimen el decaimiento del mesón. (En la fig. 1, los quarks up,charm y top y los Bosones W son tales partículas virtuales.) La combinación de estos factores conduce a una predicción de la velocidad de desintegración del Meson B
sº en un par de muones que es compatible con el rango observado en los experimentos [ver
aquí,
aquí,
aquí y
aquí] .
Lo que la medición del LHCb ha excluido son algunas otras, muy motivadas, no minimas versiones de la supersimetría. Estas versiones de la teoría no cuentan con las cancelaciones especiales y habrían dado lugar a una tasa mucho más alta de la desintegración que lo observado por el LHCb.
El LHC pronto se cerrará para una actualización de dos años. Posteriormente lo hará incrementando desde 8 tera-electrón-
voltios (TeV), en el que se ejecuta actualmente, hasta 14 TeV, y la luminosidad también se incrementará. La luminosidad adicional conducirá a un aumento de la producción de mesones B
sº y así a una reducción del error experimental en las mediciones del LHCb por cerca de un factor de 3 en el 2018 [ ver
aquí]
. En las luminosidades aún más altas que deberían ser posible en el LHC,el LHCb se cree puede reducir el error en alrededor de menos de 5 % , que está por debajo del nivel actual del error en los cálculos teóricos. En este punto se va a empezar a poner al modelo estándar a un examen más riguroso.
artículo del físico Herbert Dreiner para physics.aps.
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v6/3
