Sobre los primeros indicios de “nueva física” en los mesones B observados por LHCb

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La noticia “Primeros indicios experimentales de una nueva física más allá del modelo estándar,” Agencia SINC, 31 Jul 2013, ha colmado muchos medios. “Físicos de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) y del CNRS francés han predicho desviaciones en la probabilidad de una de las desintegraciones del mesón B que han sido detectadas en el acelerador LHC del CERN. Su confirmación será la primera prueba directa de la existencia de la “nueva física” [más allá del] modelo estándar de las partículas.” La predicción de Joaquim Matias y Javier Virto de la UAB, y Sébastien Descotes-Genon (CNRS / Université Paris-Sud) “ha sido confirmada el 19 de julio pasado en la conferencia internacional de física de partículas EPS 2013 de Estocolmo (Suecia); los resultados del análisis de LHCb apuntan a una desviación respecto a la predicción del modelo estándar de 4,5 sigmas.” Se han observado varias “desviaciones que muestran un patrón coherente que permite identificar su origen en una única fuente. Hay que ser prudentes, porque serán necesarios más estudios teóricos y más medidas experimentales para confirmarlo. Uno de los modelos de nueva física que podría explicar estos resultados sería el que postula la existencia de una nueva partícula llamada Zprima, pero podría haber muchos otros modelos compatibles.”

Lo primero, las fuentes. El artículo teórico es Sebastien Descotes-Genon, Joaquim Matias, Javier Virto, “Understanding the B→K*μ+μ- anomaly,” arXiv:1307.5683; la charla que presenta el nuevo resultado es Nicola Serra (LHCb collab.), “Studies of electroweak penguin transitions of b→sμμ,” EPS-HEP Conference, Stockholm, July 2013 [slides]; discute el resultado el propio Joaquim Matias, “Optimizing the basis of B→K* l+l- observables and understanding its tensions,” EPS-HEP Conference, Stockholm, July 2013 [slides]. Un poco de crítica en la blogosfera en Tommaso Dorigo, “A four-sigma evidence of new physics in rare B decays found by LHCb, and its interpretation,” A Quantum Diaries Survivor, July 24, 2013, y en Lubos Motl, “LHCb: 3- or 4-sigma excess of B-mesons’ muon decays,” The Reference Frame, Jul 25, 2013.

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Nuevo resultado de LHCb sobre la desintegración Bs→μμ

Un mesón Bs está formado por un quark extraño (s) y un antiquark belleza o fondo (b), tiene una masa en reposo de 5.366,3 ± 0,6 GeV/c² y una vida media de solo 1,47 ps (billonésimas de segundo). La desintegración del mesón Bs en un par muón-antimuón es muy rara (poco probable); según el modelo estándar ocurre con probabilidad (3,54 ± 0,30) × 10-9. Muchos modelos de física más allá del modelo estándar (como la supersimetría) predicen un incremento o un decremento en esta probabilidad. El experimento LHCb publica hoy la mejor medida de este valor, (3,2  ± 1,5) × 10-9, en completo acuerdo con el modelo estándar, aunque solo ha alcanzado 3,5 sigmas o desviaciones estándares. Este resultado se ha obtenido tras combinar 1,0 /fb de colisiones a 7 TeV c.m. de 2011 y 1,1 /fb de colisiones a 8 TeV c.m. de 2012 (solo con estas últimas se obtienen 3,3 sigmas). Por tanto, una de las grandes noticias en física de partículas de 2013, tras analizar todas las colisiones de 2012, será alcanzar las 5 sigmas en la desintegración Bs→μμ. Este nuevo resultado de LHCb es importante porque en el verano de 2011 (EPS-HEP11) se publicó que CDF (Tevatrón) había observado un valor 5,6 veces mayor que la predicción del modelo estándar (que hizo soñar a unos pocos con la primera prueba de la supersimetría); sin embargo, ya entonces LHCb refutaba este resultado descartando un valor mayor de 3,7 veces la predicción del modelo estándar. Podemos afirmar con seguridad que el nuevo resultado publicado hoy mismo refuta de forma definitiva la desviación observada por CDF. El nuevo resultado lo ha presentado Johannes Albrecht (LHCb Collab.), “New results on the search for B(s)->mu+mu- from LHCb,” HCP2012, Kyoto, 12 Nov 2012. El artículo técnico con los detalles aparecerá en ArXiv mañana (LHCb collaboration,” First evidence of the Bs → µ+µ− decay,” LHCb-PAPER-2012-043, arXiv:1211.2674, Nov 12, 2012, submitted to arXiv & PRL). Mucha gente se ha hecho eco de este gran resultado en twitter y en blogs, como Matt Strassler, “First News from Kyoto Conference,” Of Particular Significance, Nov. 12, 2012.

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ATLAS y CMS ya superan los 10 /fb de colisiones en 2012, y LHCb supera 1 /fb

Hoy sábado los experimentos ATLAS y CMS del LHC en el CERN han logrado acumular 10,02 y 10,04 inversos de femtobarn (1/fb) de colisiones protón-protón a 8 TeV c.m.; el experimento LHCb ha acmulado 1,02 /fb y ALICE 2,30 /pb (LHC statistics; ATLAS luminosity; CMS luminosity). El ritmo actual de colisiones equivale a 1 /fb (inverso de femtobarn) a la semana en ATLAS y CMS lo que implica que para el 16 de septiembre se habrán acumulado unos 15 /fb en cada uno de ellos, lo que a su vez sugiere que en las conferencias en octubre podría publicarse un nuevo resultado sobre la búsqueda del bosón de Higgs con, más o menos, el doble de colisiones de las utilizadas en el anuncio del 4 de julio. Para diciembre/enero podríamos estar hablando de otros 10 /fb adicionales, es decir, un total de 30 /fb sumando las colisiones de 2011 y 2012. Más información en Philip Gibbs, “10/fb LHC Update,” viXra log, August 4, 2012.

Los dos artículos que aparecieron en ArXiv el 31 de julio (versión final de lo anunciado el 4 de julio) indican que ATLAS ha observado con 5,9 sigmas una nueva partícula consistente con un bosón de Higgs con una masa de 126,0 ± 0,4 ± 0,4 GeV/c² [paper en ArXiv], mientras que CMS la ha observado con 5,8 sigmas y una masa de 125,3 ± 0,4 ± 0,5 GeV/c² [paper in ArXiv]. Para octubre se sabrá con bastante seguridad si la nueva partícula es el Higgs predicho o un primo (impostor); aún así, habiendo ya anunciado una rueda de prensa para diciembre, no sé si se publicarán nuevos análisis en octubre o si se retrasarán hasta final de año (yo apuesto por esto último).

Un buen resumen del estado presente y futuro (a corto plazo) de la búsqueda del Higgs en CMS nos la ofrece Markus Klute (MIT), “Higgs Physics in CMS – Status and Future,” LHC Search Strategies, Perimeter Workshop, August 2nd, 2012 [slides].

Gran sorpresa en el LHC gracias a LHCb: La asimetría CP en el modelo estándar se oculta en las partículas con encanto

Los rumores indicaban que hoy en París, en el congreso HCP 2011, la colaboración LHCb iba a presentar una gran sorpresa relacionada con la violación de la simetría CP y así ha sido. Por primera vez se ha observado la violación de la simetría CP en las desintegraciones de los mesones encantados: cierto parámetro técnico es 80 veces mayor de lo esperado. En concreto se han estudiado las desintegraciones de los mesones D0, que están compuestos de un quark encanto (c) más un antiquark arriba (u), y de sus antipartículas, compuestas de un antiquark encanto (c) más un quark arriba (u). Sus desintegraciones Dº→KK+, y Dº→ππ+, y las de su antipartícula determinan el valor de un parámetro llamado ΔACP que según los modelos teóricos debería ser menor de 0,01 %. La sorpresa es que LHCb ha medido un valor de ΔACP = -0,82 ± 0,21 ± 0,11 % (con 3,5 σ de confianza estadística tras analizar 0,58 /fb de datos de 2011, es decir, el 60% de todas las colisiones en LHCb durante 2011); lo dicho, un valor más de 80 veces mayor del esperado. Siempre se había pensado que la violación de la simetría CP en los mesones con quarks encanto (c) era casi nula, muy pequeña e incapaz de explicar la asimetría materia-antimateria tras la gran explosión. Este resultado es todavía provisional y tendrá que ser confirmado tras el análisis de más datos de colisiones, pero su importancia es enorme. Las transparencias de la charla de Mat Charles (Oxford), on behalf of the LHCb collaboration, “Search for CP violation in two-body charm decays at LHCb,” HCP 2011, 14 Nov. 2011. Noticia en la web del CERN en Antonella Del Rosso, “Charming surprise,” CERN News, 14 Nov. 2011, y en la web de LHCb, “CP violation in charm decays,” LHCb, 14 Nov. 2011.

Según nos cuentan en la noticia del CERN, hubo una reunión interna los días 10 y 11 de noviembre para discutir el impacto en las teorías actuales de este gran descubrimiento obtenido por la colaboración LHCb. Por supuesto, el resultado todavía es provisional y tendrán que ser confirmado (se espera la confirmación para principios de 2012 cuando se analicen el resto de los datos de las colisiones de 2011 aún almacenados en cinta), pero sus implicaciones sobre la asimetría entre materia y antimateria son muy importantes. De confirmarse significaría que el modelo estándar esconde en su interior la explicación de esta asimetría sin necesidad de nueva física (como esperaban impacientes muchos teóricos). La razón por la cual este resultado se había ocultado en los experimentos es porque la física del encanto (charm physics) de precisión es muy difícil de estudiar en los aceleradores anteriores como LEP y el Tevatrón.

Estoy escribiendo esta entrada con prisa y aún tengo que meditar las consecuencias profundas que se obtendrán de este resultado, pero puedo anticipar que no serán pocas. Todo indica que el modelo estándar es mucho más desconocido de lo que parecía.

Por cierto, puede que haya gente que afirme que este resultado es la primera evidencia de física más allá del modelo estándar, ya que se creía que éste predecía un valor casi nulo para el parámetro medido por LHCb. Sin embargo, me gustaría recordar a todos que las predicciones teóricas del modelo estándar para la física del encanto son muy difíciles de calcular y se utilizan modelos aproximados en los que se incluye como hipótesis de trabajo que la violación de la simetría CP observada es casi nula. Ahora que se cree (recuerda el resultado está aún sin confirmar) que es mucho mayor, habrá que rehacer los cálculos y, en mi opinión, se podrá acomodar el nuevo resultado dentro del modelo estándar como una de sus predicciones. Lo importante del nuevo resultado son sus consecuencias en los modelos cosmológicos y la evolución temprana del universo. Estoy seguro de que lloverán muchos artículos explicando estas consecuencias en las próximas semanas.

La opinión de otros blogueros (que actualizaré conforme vaya apareciendo): Jester, “LHCb has evidence of new physics! Maybe,” Résonaances, 14 Nov. 2011 (su explicación del resultado está muy bien); Philip Gibbs, “BSM CPV in LHCb at HCP11,” viXra log, Nov. 14, 2011; Lubos Motl, “LHCb reports a new source of CP-violation,” The Reference Frame, 14 Nov. 2011.

En lo que sigue añadiré una explicación sencilla al resultado observado. Los físicos y buenos aficionados a la física de partículas pueden omitir lo que sigue. La imagen está extraída de Anna Phan, “What exactly is CP violation?,” Quantum Diaries, 14 Nov. 2011. El texto es en su mayor parte de cosecha propia.

¿Cuál es la relación entre la violación de la simetría CP y la asimetría materia-antimateria en el universo? La idea es sencilla, la simetría CP aplicada a una partícula la transforma en su (como indica la figura de arriba), por lo que cualquier proceso que viole la simetría CP implica que dicho proceso actúa de forma diferente en partículas y antipartículas. Se cree que en los primeros instantes de la Gran Explosión (Big Bang) existía la misma cantidad de materia que de antimateria; pero hoy en día observamos un universo de materia sin ninguna antimateria (que sepamos no hay galaxias de antimateria, aunque nada prohíbe su existencia), con muchos más fotones (y neutrinos) que bariones (protones y neutrones en los núcleos de los átomos). Como la materia y la antimateria se aniquilan mutuamente produciendo energía (fotones), se puede explicar esta asimetría si toda la materia se aniquiló con toda la antimateria, salvo una minúscula cantidad. Este proceso asimétrico requiere, entre otras cosas, una pequeña violación de la simetría CP en la física de partículas. El problema es que la asimetría CP del modelo estándar que ha sido observada en los experimentos es demasiado pequeña para explicar la simetría materia-antimateria y se cree que debe haber asimetrías aún no observadas (como la que ha observado LHCb).

¿Cuál es la relación entre el resultado de LHCb y la simetría CP? Lo que se ha observado en LHCb son procesos de desintegración de un partícula (mesón D neutro) y de su antipartícula, que por ser ambas neutras se desintegran en pares de partícula-antipartícula (dos piones o dos kaones). Si la simetría se conservara en estas desintegraciones, no habría diferencia alguna entre la partícula y su antipartícula, serían indistinguibles si solo observamos sus desintegraciones (las distinguimos porque ellas mismas se producen en procesos diferentes). Sin embargo, LHCb ha observado una pequeña diferencia entre los modos de desintegración de la partícula y de su antipartícula, lo que las hace distinguibles estadísticamente. Esta pequeña asimetría es enorme, ya que según se cree el modelo estándar predice un valor muy pequeño para ella. Por eso esta inesperada noticia es bastante sorprendente.

¿Por qué es difícil observar estas desintegraciones en LHCb? Este experimento está centrado en el estudio de la física asociada a los quarks fondo (bottom o b). Las colisiones que se almacenan en disco para su análisis posterior son seleccionadas en tiempo real por un sistema de disparadores (triggers) que han sido ajustados para discriminar colisiones con quarks bottom y obviar las colisiones con quarks de menor masa (como los charm o c). Sin embargo, cierto número de triggers se han dedicado a estudiar las colisiones que no tienen quarks b (el porcentaje de datos almacenados en disco en dicho caso es pequeño, no sé exactamente cuál es). La idea principal es hacer chequeos de precisión del modelo estándar y comprobar que todo se está haciendo correctamente con los quarks b. Pero para sorpresa de muchos, se ha observado algo inesperado e interesante en estos eventos. Una violación de la simetría CP mayor de la esperada. Supongo que durante 2012 se dedicará mayor atención a este tipo de colisiones y se incrementará el slot dedicado a la física del encanto en el LHCb.

PS (16 nov. 2011): Muy interesante esta entrada de Sean Carroll, “New Physics at LHC? An Anomaly in CP Violation,” Cosmic Variance, 14 Nov. 2011. Según Sean el LHC ha entrado en la era de los “resultados a tres sigma” (3-Sigma Results), donde la excitación por los nuevos resultados es gratis pero la mayoría se los llevará el viento del olvido. Hay que recordar que “3 sigma” es el mínimo requerido para que un físico pueda tomarse seriamente un resultado y el nuevo resultado de LHCb tiene 3,5 sigmas. Sean trata de explicar el resultado (en la línea de Jester en Résonaances) y os recomiendo su lectura y su frase final: “yo creo que debemos excitarnos por el descubrimiento de nuevas partículas y no por pequeños efectos que puedan tener consecuencias cosmológicas” (traducción libre de “My strong feeling is that we should be excited by discovering new particles of nature, and not rely on the crutch of relating everything to cosmology.”). Yo estoy de acuerdo, pero en mi opinión personal, para el descubrimiento de nuevas partículas todavía faltan muchos años (ya sabéis que yo soy bastante conservador en estos asuntos).