Sobre los primeros indicios de «nueva física» en los mesones B observados por LHCb

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.

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.

BaBar observa un exceso a 3,4 sigmas respecto al modelo estándar en las desintegraciones semileptónicas de los mesones B

Mucha gente sueña con pruebas de la existencia de fenómenos físicos no explicados por el modelo estándar en las colisiones del LHC del CERN, olvidando que las primeras pruebas podrían obtenerse en experimentos de precisión más modestos. BaBar ha observado que los mesones B (formados por un quark b y otro antiquark) se desintegran mucho más a menudo que lo predicho por el modelo estándar en mesones D* (tras la transformación del quark b en un quark  c) junto a un leptón tau y un antineutrino tau. El modelo estándar solo permite esta desintegración semileptónica si interviene un bosón W, por lo que el exceso observado podría indicar la existencia de otros bosones con carga eléctrica, como por ejemplo un Higgs cargado. El exceso observado en el experimento BaBar (SLAC, EE.UU.) tras el análisis de la friolera de 426 /fb (inversos de femtobarn) de colisiones ha alcanzado una significación estadística de 3,4 sigmas. En 2010 ya se observó un exceso similar en Belle (KEK, Japón) aunque con mucha menos significación estadística (2,3 sigmas según esta fuente), por lo que se consideró una simple fluctuación estadística sin importancia. Ahora, muchos desean que la combinación de los nuevos resultados de Belle, aún sin publicar y que ya ha acumulado casi 1000 /fb de colisiones, junto a los resultados de BaBar, si ambos excesos van en la misma dirección, alcance una significación mucho mayor (ya se sabe que la esperanza es lo último que se pierde).

Mucha gente se ha hecho eco de la noticia aparecida hoy como «BaBar Data Hint at Cracks in the Standard Model,» Interactions.org, 18 June 2012, un déjà vu de la noticia original «BABAR Data in Tension with the Standard Model,» BaBar News, 24 May 2012, que acompañó a la aparición en ArXiv del preprint del artículo técnico: The BaBar Collaboration, «Evidence for an excess of B -> D(*) Tau Nu decays,» Submitted to Phys. Rev. Lett.; SLAC-PUB-15028; ArXiv:1205.5442, 24 May 2012. En español puedes leer a José Enrique, «Los últimos resultados de Babar apuntan a posible nueva física,» La Hora Cero, June 18, 2012. Ya se sabe que nunca es tarde si la dicha es buena. Yo confieso que me enteré de esta noticia tras ver las transparencias de Concezio Bozzi, «Inclusive charmed/charmless semileptonic decays (mini-review) and B -> D(*) tau nu at BaBar,» The XIth International Conference on Heavy Quarks and Leptons, 11 June 2012 [slides], pero no le dí mayor importancia hasta hoy a mediodía, tras ver en Twitter la noticia de Interactions.org.

El experimento BaBar estudia colisiones electrón-positrón con una energía en el centro de masas de 10,58 GeV, correspondiente a la masa de la resonacia Υ(4S), que decae casi de forma exclusiva en pares de mesones B. Gracias a ello trata de desvelar los secretos más íntimos de la física de estos mesones. ¿Podría ser el nuevo exceso una nueva señal de la existencia de más de un Higgs? El modelo estándar mínimo predice que el campo de Higgs es un doblete que se observará como un bosón de Higgs neutro (respecto a la carga eléctrica), pero se puede añadir al modelo estándar otro doblete (modelo 2HDM), en cuyo caso además se observarían dos Higgs cargados. El análisis realizado en BaBar excluye con una probabilidad del 99,8 % el modelo 2HDM si la masa de los Higgs cargados es superior a 10 GeV/c², lo que implica que el exceso observado apunta a extensiones del modelo estándar más complicadas, como las supersimétricas. Pero si queréis saber mi opinión personal, cada día soy más escéptico con este tipo de excesos y creo que al final todo se quedará en una falsa alarma. Espero equivocarme.

PS (27 junio 2012): Recomiendo las transparencias de la charla de Svjetlana Fajfer, «New physics in B->D*τν_τ decay,» QCD@work, Lecce, 18-21 June 2012.

Adivina adivinanza, cuál podría ser la primera prueba de física más allá del modelo estándar en el LHC del CERN este año

La manera más fácil de encontrar nueva física más allá del modelo estándar de las partículas elementales es buscarla en sucesos raros. Si la nueva física altera el resultado esperado una vez cada 10 millones, su efecto sobre un proceso raro que ocurre una vez cada millón de veces, es incrementarlo en un 10%, pero sobre un proceso común que ocurre una vez cada diez veces, el incremento es sólo de una millonésima. El problema de los procesos raros es que requieren muchos datos y esperar durante muchos años, para poco a poco ir recabando cada vez más datos.

Un mesón B es una partícula formada por un quark fondo (b de bottom) y otro quark más ligero. El Tevatrón del Fermilab y el LHC del CERN son fábricas ingentes de mesones B (en el primero se han producido miles de millones). Un mesón B es inestable y se desintegra rápidamente (en media en 1,6 billonésimas de segundo). Hay muchas maneras en las que puede hacerlo, cada una con una cierta probabilidad (BR o branching ratio). Para haceros una idea podéis consultar la información sobre los mesones B^± publicada por el Particle Data Group. Un PDF con 141 páginas de información. Las maneras en las que se pueden desintegrar un mesón B según el modelo estándar aparecen en las páginas de la 2 a la 15. Sí, 13 páginas en las que en cada línea aparece un modo de desintegración y el límite experimental para su BR. Un tipo de desintegración bastante rara son las desintegraciones de un mesón B en un mesón K (formado por un quark extraño (s o strange) y otro quark más ligero) o en un mesón φ (formado por un quark extraño y un antiquark extraño). El BR de ambos procesos es del orden de 1 millonésima, es decir, se observan una vez cada millón de desintegraciones.

La colaboración CDF del Tevatrón ha hecho públicos los resultados de su último análisis de estos modos de desintegración en su página web (aún no está escrito el preprint correspondiente) y Tommaso Dorigo, como no, dedica dos entradas en su blog a analizarlos, «An appetizer: Rare B Decay Asymmetries,» January 12th 2010, y «New Rare B Decays Nailed By CDF: The Door To New Physics?,» January 13th 2010. No, no cantemos victoria, todavía no se ha encontrado nueva física, pero los resultados son un ejemplo ideal de lo difícil que es hacer nuevos descubrimientos experimentales en física de partículas elementales y de lo que podemos esperar del LHC del CERN durante este año.

Los modos de desintegración estudiados son (1) B⁰ → μ⁺+ μ^– + K^*0, (2) B⁺ → μ⁺+ μ^– + K⁺, y (3) B_s⁰→μ⁺+ μ^– + φ. El nuevo resultado para las probabilidades de estas desintegraciones ha utilizado el doble de datos que un estudio anterior (publicado en ArXiv el 24 abr. 2008) y como aquel está en muy buen acuerdo con lo esperado para el modelo estándar (calculado mediante simulaciones de Montecarlo). En concreto, se ha obtenido (1) BR( B⁰→μ⁺+μ^– + K^*0) = [1.06±0.14(stat)±0.09(syst)]×10^-6 , (2) BR( B⁺ → μ⁺+ μ^– + K⁺ ) = [0.38±0.05(stat)±0.03(syst)]×10^-6 , y (3) BR(B_s⁰→μ⁺+ μ^– + φ ) = [1.44±0.33(stat)±0.46(syst)]×10^-6.

Sí, se confirman los resultados del modelo estándar. ¿Entonces dónde está la noticia detrás de esta entrada? Lo más interesante es que los nuevos datos son suficientes para realizar, por primera vez, un estudio cinemático de la distribución angular de las partículas tras estas raras desintegraciones del mesón B. Los resultados aparecen en la figura de abajo (Tommaso en su blog utiliza otras figuras). No entraré en los detalles técnicos de lo que significan los ejes de la figura y las bandas verdes (Tommaso lo explica bien). La predicción del modelo estándar es la línea roja (colocada en el cero). Como podéis ver claramente los datos experimentales muestran dos puntos claramente separados de la línea roja, cuando la energía liberada en la desintegración (q) es baja (de unos 2 GeV). Los intervalos de confianza estadística para estos puntos no cruzan la línea roja. Estos datos (¿espurios?) podrían ser un indicativo de la existencia de nueva física más allá del modelo estándar. Este resultado apunta a que cierto coeficiente predicho por el modelo estándar tiene en realidad el signo opuesto. Parece algo muy sutil, pero esta evidencia de física más allá del modelo estándar es muy interesante porque el LHC del CERN producirá este tipo de eventos raros cientos de veces más a menudo que el Tevatrón, con lo que es posible que a finales de este año, el LHC podrá confirmar o refutar este resultado, que podría ser la primera evidencia de física más allá del modelo estándar obtenida en el LHC del CERN. 

Dedicatoria: esta entrada está dedicada a MiGUi quien comentó el 31 Dic. 2009, «Pero qué aguafiestas xD,» en respuesta a mi entrada «Por qué es difícil que se observe en 2010 un bosón de Higgs de baja masa en el LHC del CERN,» 31 Diciembre 2009.