Nuevos límites experimentales a la masa de los leptoquarks

 Muchas teorías de gran unificación (GUT) proponen la existencia de los leptoquarks unas partículas capaces de interactuar con leptones (electrones y neutrinos) y quarks. El experimento DZero del Tevatrón en el Fermilab ha publicado un nuevo límite inferior para la masa de los leptoquarks de tercera generación, que se desintegran en quarks b y leptones tau. Un leptoquark de tercera generación tiene que tener una masa mayor de 247 GeV/c2, según el análisis de 5’2 fb-1 de colisiones en DZero. Lo curioso es comparar el nuevo límite con el obtenido el año pasado por DZero, tras el análisis de 4’0 fb-1 de colisiones, 252 GeV/c2. ¡El límite ha bajado! Con más datos el límite ha bajado. Puede pasar. También lo podemos comparar con el límite obtenido en 2007, que era de 229  GeV/c2. Normalmente se espera que, a más colisiones, este tipo de límites inferiores a la masa de un partícula crezcan, pero no siempre es así. El análisis estadístico de los datos de las colisiones de los grandes aceleradores tiene este tipo de sorpresas. Ya pasó el año pasado con los límites de exclusión combinados de CDF+DZero para la masa del bosón de Higgs, que se redujeron. Aún así, un gran trabajo de los físicos de la colaboración DZero disponible en The D0 Collaboration (V. Abazov et al.), “Search for scalar bottom quarks and third-generation leptoquarks in ppbar collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV,” ArXiv, Submitted on 12 May 2010.  También os recomiendo The DØ Collaboration, “Search for third generation leptoquarks and scalar bottom quarks in the bb(bar) plus missing energy topology in pp(bar) collisions at sqrt(s)=1.96 TeV,” July 1, 2009, y David Hedin (The DØ Collaboration), “Search for Third Generation Leptoquarks (and sbottom quarks).”

Los quarks y los leptones se agrupan en familias (o generaciones) cada una está formada por un par de quarks y un par de leptones de tal modo que cada generación es una réplica más masiva de la anterior. La evidencia actual es que hay solo tres generaciones formadas por 12 partículas y 9 antipartículas (no se sabe si los tres neutrinos son iguales a los antineutrinos o son partículas diferentes, en este último caso habría 12 antipartículas). Los leptoquarks son hipotéticas partículas que permiten la transformación, dentro de una misma familia, de quarks en leptones y viceversa. Tendría que haber tres generaciones de leptoquarks. La primera generación de leptoquarks solo interactúa con los quarks arriba (up) y abajo (down), los electrones y los neutrinos electrónicos. La segunda generación de leptoquarks lo hará con los quarks encanto (charm) y extraño (strange), y los muones y los neutrinos muónicos. Y la tercera generación de leptoquarks lo hará con los quarks cima (top) y fondo/belleza (bottom/beauty), y los taus y los neutrinos tau.

El laboratorio alemán DESY anunció en 1997 (sus experimentos HERA y ZEUS) cierta evidencia de la existencia de los leptoquarks. Falsa alarma. Un análisis posterior demostró que habían errado en sus estimaciones. Pero saltó la alarma y desde entonces en el Tevatrón del Fermilab están buscando a los leptoquarks con ahínco. Si se crea un leptoquark en una colisión protón-antiprotón, casi de inmediato se desintegra en chorros (jets) de quarks y leptones. Lo más fácil es estudiar la caídas de un leptoquark en cuatro partículas, un electrón y un quark, por un lado, y un  electrón y un neutrino, por otro. El neutrino se detectará por la existencia de una energía perdida en la desintegración. En el Tevatrón se buscaron leptoquarks de primera generación en 1997 y no fueron encontrados. Desde entonces han buscado leptoquarks de segunda y tercera generación, sin éxito. El estado de la búsqueda de leptoquarks en DZero (hasta 4’0 fb-1 de colisiones) nos lo resume muy bien el artículo de Sergey A. Uzunyan, “Search for Leptoquarks with the D0 detector,” ArXiv, Submitted on 6 Oct 2009.

Los límites inferiores para la masa de los leptoquarks dependen de la teoría que los prediga (hay varias posibilidades) y de su preferencia por desintegrarse en neutrinos, es decir, de la probibilidad β de que se desintegren en un quark y un leptón (electrón), o de la probabilidad (1−β) de que lo hagan en un quark y un neutrino. Asumiendo β=0’5, el límite inferior para la masa de leptoquarks de primera generación es de 357, 415 y 464 GeV/c2, asumiendo tres teorías parecidas pero diferentes. El límite inferior para la masa de leptoquarks de segunda generación para β=1, β=0’5 y β=0’1 es de 316, 270 y 185 GeV/c2, respectivamente. Los límites para la tercera generación ya los hemos comentados al principio de esta entrada.