Evidencia de nueva física más allá del modelo estándar en el detector DZero del Tevatrón

El modelo estándar predice que un parámetro asociado a la violación de la simetría CP por parte de los mesones B neutros tiene un valor 42 veces más pequeño que el valor medido experimentalmente por la colaboración DZero del Tevatrón, Fermilab, en Chicago, resultado que se hizo público el viernes pasado. ¿Qué nueva física es la responsable? Nadie lo sabe, ahora es el turno de los físicos teóricos que han de proponer explicaciones más allá del modelo estándar para el valor de la asimetría observada. Hay que recordar que hay muchos parámetros en el modelo estándar que no han sido medidos, pero sí han sido calculados teóricamente, y puede haber sorpresas como ésta al medirlos por primera vez. Los mesones B neutros están formados por un quark b (bottom) y un antiquark d o s, y pueden oscilar (cambiar de identidad) con su antipartícula, violando la simetría CP (lo mismo que le ocurre a los kaones). Cuando en una colisión se produce un par quark-antiquark b, estos se hadronizan en un par mesón-antimesón B, que a su vez decaen el 10% de las veces en un par muón-antimuón. Debido a la oscilación, hay una probabilidad pequeña pero finita de que uno de los dos mesones cambie de identidad y se observen dos muones o dos antimuones. La violación de la simetría CP hace que la probabilidad de observar estas dos posibilidades sea diferente entre sí. La medida experimental de esta diferencia, muy pequeña, es muy difícil de realizar ya que requiere muchas colisiones. DZero ya ha alcanzado los 6 inversos de femtobarn de colisiones, lo suficiente para observar que el valor experimental y el valor teórico predicho por el modelo estándar se diferencian en más de 3 desviaciones típicas. Las fábricas de mesones B llamadas BaBar y Belle producen fundamentalmente mesones Bd, para los que el valor del parámetro de la asimetría está de acuerdo con el modelo estándar. DZero produce colisiones más energéticas y puede producir también mesones Bs, mucho más masivos, en cantidad suficiente para medir la asimetría y encontrar nueva física más allá del modelo estándar. Antes de empezar a proclamar a gritos la posibilidad de un Premio Nobel habrá que esperar a la confirmación de la asimetría por parte del experimento CDF del Tevatrón y/o por Belle, algo que requerirá como mínimo unos meses. Habrá que estar al tanto. Nos lo cuenta Jester, “New Physics Claim from D0!,” Resonaances, 17 May 2010. G. Borissov presentó el descubrimiento en el Fermilab Wine & Cheese Seminar el 14 May 2010, “Evidence for an anomalous like-sign dimuon charge asymmetry,” siendo el artículo técnico V.M. Abrazov et al. (DZero Collaboration), “Evidence for an anomalous like-sign dimuon charge asymmetry,” Fermilab-Pub-10/114-E, que mañana se espera que esté disponible en ArXiv.

Hay dos tipos de mesones B neutros: los mesones Bd, formados por un quark b (bottom) y un antiquark d (down), y los mesones Bs, formados por un quark b y un antiquark s (strange). Estos mesones y sus antipartículas son partículas diferentes que pueden cambiar de identidad entre sí (técnicamente se llama oscilar). El experimento DZero ha estudiado los mesones B en colisiones que producen un par quark-antiquark b (bottom) que a su vez se hadronizan (dado que los quarks no pueden estar aislados) en un mesón B y su antipartícula, un antimesón B. El 10% de las veces, este mesón B decae en un muón (cargado negativamente) y el mesón B en un antimuón (cargado positivamente). Pero como los mesones B y los antimesones B oscilan, cambian de identidad, también pueden decaer con el “signo equivocado,” es decir, el mesón B puede decaer en un antimuón y el antimesón B en un muón. Si no hubiera violación de la simetría CP, entonces las probabilidades de decaer en un par de muones, estado N, serían las mismas que las de decaer en un par de antimuones, N++. La colaboración DZero ha medido el parámetro que caracteriza esta asimetría, Asl = (N++ – N)/(N++ + N). La medición de este parámetro es muy difícil porque su valor es muy pequeño, pero DZero ya ha acumulado más de 6 inversos de femtobarn de colisiones, que han sido suficientes para determinar que el modelo estándar predice un valor teórico para esta asimetría 42 veces más pequeño que el observado experimentalmente. Un nuevo descubrimiento requiere una evidencia de 5 sigma y por ahora DZero sólo ha logrado alcanzar 3’2 sigma. Por tanto, ahora mismo lo único que tenemos es una evidencia fuerte de física más allá del modelo estándar. Aún así, este resultado va en la línea de un resultado previo de hace dos años, resultado conjunto CDF+DZero y todo apunta a que la física de los mesones Bs ha abierto una puerta hacia la física más allá del modelo estándar.

PS: Como no, se ha hecho eco de la entrada de Jester nuestro “querido” Lubos Motl, “D0 claims evidence for a new source of CP-violation!,” The Reference Frame, 17 may 2010, quien aporta al final de su entrada, una corrección al propio Jester (una fórmula que yo he omitido intencionadamente en mi entrada).

PS (19 mayo 2010): Por un lado, se ha hecho eco de la entrada de su amigo Lubos, Dennis Overbye, “A New Clue to Explain Existence,” The New York Times, May 17, 2010; de la que también se ha hecho eco Clifford, “Greetings! An Exciting Asymmetry?,” Asymptotia, May 18, 2010. Los interesados en una traducción de la entrada de Lubos pueden recurrir a Kanijo, “D0 afirma tener pruebas de una nueva fuente de violación CP,” Ciencia Kanija, 18 May 2010. Por otro lado, merece la pena leer “Fermilab scientists find evidence for significant matter-antimatter asymmetry,” Symmetry Breaking, May 18, 2010. También merece un vistazo Jake Anderson, “Matter and anti-matter,” US LHC Blog, 18 May 2010.

Lo más interesante de este descubrimiento es que el próximo año, el detector LHCb del LHC del CERN observará y estudiará este efecto con gran detalle y que a finales de 2011 se podrá confirmar definitivamente si este efecto es real o no. De hecho a principios de este mes, dicho detector observó por primera vez una partícula Bs, de la que no me hice eco en este blog para no saturarla con noticias sobre el LHC. Podéis observar el evento en “Strange Beauty and Charm,” LHCb public news, 7 May 2010 (os dejo copia más abajo).Para el LHC está noticia del otro lado del charco es buena, digo buena, buenísima noticia, ya que todo indica que hay mucha física más allá del modelo estándar por descubrir en las escalas de energía alcanzables en el LHC. En este sentido recomiendo, aunque no tiene nada que ver con la asimetría CP observada, Zachary Marshall, “LHC Physics News,” US LHC Blog, 17 May 2010. Por cierto, el LHC ya ha alcanzado 3 /nb de colisiones (Leo Rossi, “A new record run,” ATLAS Control Room Blog, May 16, 2010) y no hay