Los experimentos CMS y LHCb del gran colisionador de hadrones del CERN han conseguido la primera observación de una rarísima desintegración de partículas, la que transforma los llamados mesones B0 s en dos muones. El modelo estándar de física de partículas señala que esto solo ocurre unas cuatro veces cada mil millones de desintegraciones y ahora, por fin, se ha visto. En este estudio participan investigadores de las universidades de Barcelona y Santiago de Compostela.
En un artículo publicado hoy en la revista Nature, las colaboraciones de los experimentos CMS y LHCb del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) describen la primera observación de una desintegración muy inusual de un tipo de partículas, los mesones B0 s, en dos muones, partículas similares a los electrones pero más pesados.
El modelo estándar, la teoría que mejor describe el mundo de las partículas, predice que este infrecuente proceso subatómico ocurre unas cuatro veces cada mil millones de desintegraciones, pero no se había visto antes. Estas desintegraciones podrían abrir una ventana a teorías más allá de ese modelo, como la supersimetría. Investigadores de la Universidad de Compostela (USC) y del Insistituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) han participado en el hallazgo.
El análisis se ha basado en datos tomados en el LHC en 2011 y 2012, fase en la que intervino el grupo del ICCUB, concretamente en el diseño e implementación de dos líneas del sistema de filtro de datos (trigger) para seleccionar en cada colisión protón-protón en LHCb los sucesos que podrían corresponder a una pareja de muones. Además, participaron en la definición de los fenómenos físicos usados para distinguir la señal buscada para esta desintegración del fondo, así como en la definición de los denominados canales de control que miden los ritmos en los que sucede este proceso.
Según Eugeni Graugés, investigador principal de este grupo, "desde el punto de vista experimental, este resultado tiene un gran impacto: delimita muchas de las posibles ampliaciones del modelo estándar actual que describe la física de partículas elementales, dado que aleja su posible validación experimental a un régimen de energía muy por encima de lo explorado hasta hoy mediante los aceleradores de partículas".
Desintegración de mesones B0s en dos muones vista en una colisión del experimento LHCb. / CERN
"Desde el punto de vista teórico, nuestro conocimiento actual del universo está basado en dos pilares: el modelo estándar de partículas y el modelo cosmológico, los dos ampliamente estudiados en el ICCUB", explica su actual director y también miembro del experimento LHCb, Lluís Garrido. No obstante, el actual modelo de partículas no explica el sector de materia y energía oscura del modelo cosmológico actual, y por esta razón se están proponiendo diversas extensiones de este modelo. Las medidas obtenidas en el experimento LHCb, imponen un filtro muy importante para estos posibles nuevos modelos, ya que han de ser compatibles con este importante resultado".
Las partículas B0 s y B0 son mesones, un tipo de partículas subatómicas inestables y no elementales compuestas por un quark y su antipartícula, antiquark, unidos por la fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales. Este tipo de partículas se produce solo en las colisiones de alta energía de los aceleradores de partículas, o en la naturaleza mediante interacciones de rayos cósmicos.
Las dos colaboraciones presentaron sus primeros resultados individuales sobre la desintegración de los mesones B0 s en julio de 2013. Aunque los resultados estaban en perfecto acuerdo, ambos no llegaban a la precisión estadística requerida históricamente para proclamar una observación que es de 5 sigmas de precisión requeridos para proclamar una observación. El análisis combinado supera fácilmente este requisito, alcanzando 6,2 sigmas. Esta es la primera vez que los experimentos CMS y LHCb analizan sus datos juntos.
Según sus autores, este resultado es un gran avance en una búsqueda llevada a cabo por muchos experimentos durante casi tres décadas, y tiene importantes implicaciones en la búsqueda de nuevas partículas y fenómenos más allá del Modelo Estándar, cuando el programa de física del LHC se reinicie en las próximas semanas.
Los datos que se consigan en los futuros ciclos de funcionamiento del LHC incrementarán la precisión de las medidas del mesón B0 s y determinarán si se confirman las posibles pistas de la desintegración relacionada del mesón B0 . Estos resultados serán cruciales para desentrañar cualquier señal de nuevos fenómenos procedente de efectos del modelo estándar, y avanzará la búsqueda de nueva física. “Es un excelente ejemplo de la cooperación entre diferentes experimentos y muestra la impresionante precisión que se puede alcanzar cuando combinan sus medidas”, destaca el director general del CERN, Rolf Heuer.
Participación española de Galicia y Cataluña
El experimento LHCb está formado por más de 700 científicos de 69 centros de investigación de 17 países. En España, lideran la partipación los equipos del ICCUB y la USC, cuyos investigadores consideran que los estudios sobre esta desintegración son una prueba importante para modelos alternativos al estándar.
Las desintegraciones de las partículas están mediadas por campos (como el campo electromagnético). Así, la existencia de campos desconocidos podría alterar la frecuencia de un fenómeno tan raro. En algunos modelos supersimétricos, la presencia de más de un campo de Higgs podría modificar la tasa de esta desintegración hasta hacerla diez veces mayor que la predicha. Sin embargo, los resultados obtenidos muestran un buen acuerdo con el modelo.
El análisis de datos ha requerido el uso de software para distinguir una señal tan pequeña entre los millones de colisiones que se producen en el LHC, así como un uso extensivo de muestras de control. El grupo de la USC participante en LHCb fue uno de los principales contribuyentes a estos estudios. Además, el diseño del análisis y su validación con datos del experimento fueron el tema de la tesis de Diego Martínez Santos, premio de la European Physical Society (EPS) por esta contribución y actualmente en la USC con una Starting Grant europea. Los investigadores José Ángel Hernando y Xabier Cid también trabajaron en esta desintegración, especialmente en la identificación de los muones.
Martínez Santos valora el estudio: "Los resultados muestran un acuerdo muy bueno con el modelo estándar, lo que permite descartar ciertas posibilidades dentro de la supersimetría. La tasa que hemos medido concuerda bastante bien con las predicción de este modelo. Es decir, de momento no hay rastro de campos nuevos, lo que nos lleva a descartar los modelos teóricos que predecían tasas más elevadas (pero que, a priori, resultaban muy interesantes, ya que explicaban la materia oscura, cosa que el modelo estándar no puede)".
Por su parte, en CMS participan más de 2.000 científicos de 37 países. El CIEMAT fabricó el 25% de las cámaras de muones del detector, donde se detectan la pareja de muones resultado de la desintegración. En total, 200 científicos y técnicos españoles participan en los experimentos del LHC con el apoyo del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), proyecto Consolider-Ingenio 2010.
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