Experimento del Gran Colisionador de Hadrones detecta anomalía que podría romper el Modelo Estándar de la física

Los físicos saben que su descripción teórica de fuerzas y partículas, el Modelo Estándar, debe estar incompleta porque hay una serie de fenómenos que no puede explicar, como la existencia de materia oscura, según Nature. Ahora, un análisis del experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra, Suiza, sugiere que una desviación del Modelo Estándar ha crecido.

El hallazgo concierne la desintegración de partículas llamadas mesones B en otras partículas, según el estudio aceptado para publicación en Physical Review Letters. El resultado es una de las últimas anomalías restantes para los físicos de partículas, que buscan nueva física en los restos de colisiones protón-protón que convierten energía en materia.

En lugar de buscar partículas nuevas y pesadas directamente, el experimento LHCb busca indirectamente sus efectos sutiles, incluyendo cuando aparecen fugazmente como "partículas virtuales" que influyen en las desintegraciones, según Nature. Para buscar estos efectos, los investigadores analizaron la frecuencia y el ángulo en que las partículas emergen de las desintegraciones, para verificar si coinciden con las predichas por el Modelo Estándar.

El nuevo análisis examina cuando un mesón B, una partícula compuesta de un quark bottom y otro quark más ligero, se desintegra en otro mesón que contiene un quark extraño, conocido como kaón, así como dos muones, primos más pesados del electrón, según la fuente. Los investigadores encontraron que el ángulo en que los productos finales emergen de la desintegración no coincide con los predichos por el Modelo Estándar. La evidencia de esta anomalía ha estado creciendo desde 2015.

Los físicos piensan que esta desintegración del mesón B, conocida como desintegración pingüino, debería ser particularmente sensible a física aún no descubierta, según Nature. En 1977, el teórico británico John Ellis acuñó el término debido a la semejanza del diagrama de la desintegración con un pingüino, después de perder una apuesta que lo obligó a incluir la palabra en su siguiente artículo. La desintegración involucra un bucle cuántico en el cual un quark bottom cambia a un quark extraño, a través de una transición temporal a partículas virtuales que aparecen y desaparecen de la existencia.

La física cuántica permite que incluso partículas pesadas, no incluidas en el Modelo Estándar, entren fugazmente en este bucle y dejen los productos finales con propiedades no posibles solo con partículas conocidas, según la fuente. Como esta desintegración es tan rara, alrededor de uno de cada mil millones de mesones B se desintegra de esta manera, el impacto de nuevas partículas debería ser más fácil de detectar que en otras desintegraciones más comunes, donde la señal sería ahogada.

El análisis incluye alrededor de 650 mil millones de desintegraciones acumuladas en el LHC durante dos períodos de operación entre 2011 y 2018, según Nature. Las mediciones de los ángulos de las partículas emergentes no coinciden con el Modelo Estándar con una significancia de alrededor de 4 sigma. Esto significa que la probabilidad de que ruido aleatorio de procesos regulares del Modelo Estándar produjera esta señal es de alrededor de 1 en 16.000, dijo William Barter, físico de partículas de la Universidad de Edimburgo, Reino Unido, que trabaja en LHCb.

"Este es uno de los resultados más significativos de los últimos años en el LHC", dijo Barter según Nature. Particularmente emocionante es que el hallazgo parece ser tentativamente corroborado por otro experimento del LHC, CMS, que ha observado una discrepancia en esta desintegración del mesón B, aunque con menor significancia estadística.

Pero el entusiasmo está moderado, agregó Barter, porque una desintegración rival que involucra partículas llamadas quarks charm puede crear exactamente los mismos productos que la transición bottom-a-extraño, y es difícil para los teóricos predecir con precisión cómo estos "pingüinos encantadores" impactarían los ángulos de los productos finales de desintegración, según la fuente. La teoría sugiere que esta desintegración es poco probable que explique la desviación completa del Modelo Estándar, pero su existencia da espacio para la cautela.

Si la señal es real, una posibilidad que podría explicar la discrepancia es si una partícula conocida como Z prima es una partícula virtual involucrada en romper los mesones B como parte de la transición de quark bottom a extraño, según Nature. Los físicos plantean la hipótesis de que esta partícula, que estaría asociada con una fuerza completamente nueva y aún no descubierta, sería similar al bosón Z, una de las dos partículas que median la fuerza nuclear débil. Pero Z prima sería más pesada y con preferencia para interactuar con ciertas familias de partículas, dijo Ben Allanach, físico teórico de la Universidad de Cambridge, Reino Unido.

La Z prima mediaría una fuerza que discrimina entre diferentes "sabores" de partícula, agregó Allanach según la fuente. Esta teoría también podría ayudar a explicar por qué las masas de partículas en el Modelo Estándar pueden ser tan radicalmente diferentes.

Otra posibilidad es la existencia de un leptoquark, una partícula de corta vida que, a altas energías, se teoriza que asume las propiedades de dos familias de partículas: leptones y quarks, según Nature. Los leptoquarks proporcionan otra forma en que los quarks bottom podrían hacer la transición a quarks extraños, y también podrían causar los ángulos de desintegración observados, dijo Barter.

La anomalía detectada representa uno de los últimos indicios de posible nueva física más allá del Modelo Estándar que los físicos de partículas están investigando activamente. Si se confirma con mayor significancia estadística en futuros análisis, podría señalar la existencia de partículas fundamentales aún no descubiertas y fuerzas que el marco teórico actual no contempla, lo que representaría un avance revolucionario en la comprensión de la física fundamental del universo.