Científicos del LHC observan por primera vez un raro proceso subatómico

Investigadores constatan una transformación de partículas elementales nunca vista hasta ahora. El estudio, publicado en Nature, cuenta con participación brasileña

Por Elton Alisson

Agência FAPESP – Científicos de las colaboraciones CMS y LHCb del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Cern), con sede en Suiza, anunciaron en un artículo publicado en la revista Nature la observación, por primera vez, de un proceso subatómico sumamente raro.

Mediante análisis conjuntos, los investigadores constataron que mesones B_s y B⁰ –partículas elementales pesadas e inestables producidas únicamente en colisiones de alta energía como las que ocurren en aceleradores de partículas como el LHC, o debido a la interacción de rayos cósmicos en el Universo– decaen (se transforman espontáneamente) en dos muones, que son partículas atómicas ultraenergéticas.

El trabajo contó con la participación de científicos brasileños vinculados al Centro de Investigación y Análisis de São Paulo (Sprace), de la Universidade Estadual Paulista (Unesp) y de la Universidad Federal del ABC (UFABC), apoyados por la FAPESP, del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF) y de la Universidad del Estado de Río de Janeiro (UERJ). El grupo de investigadores del Sprace toma parte en la colaboración CMS, del LHC.

“El estudio preciso de decaimientos raros como los de los mesones B_s y B⁰ constituye una estrategia complementaria tendiente a investigar de manera indirecta la posible existencia de una nueva Física, situada más allá del Modelo Estándar”, dijo Sérgio Novaes, docente de la Unesp y coordinador del Sprace, en declaraciones a Agência FAPESP.

Novaes explica que el Modelo Estándar de la física de partículas –una teoría que describe las fuerzas fundamentales, fuerte, débil y electromagnética, como así también las partículas básicas que constituyen toda la materia– prevé que la probabilidad de que los mesones B_s y B⁰ decaigan en muones es muy baja: alrededor de cuatro veces por cada mil millones de mesones B_s y una vez cada 10 mil millones de mesones B⁰ producidos.

Una diferencia en las probabilidades de decaimiento de esos dos tipos de mesones haría posible la confirmación de teorías allende el Modelo Estándar, como la de la supersimetría, que prevé que por cada fermión (fermiones son los cuarks, electrones y neutrinos) hay un bosón correspondiente como el de Higgs, hallado por los científicos del LHC en 2012.

Los experimentos realizados por las colaboraciones CMS y LHCb, en los cuales se logró que protones de alta energía entrasen en colisión para crear 1 billón de mesones B_s y B⁰, confirmaron las predicciones del Modelo Estándar con un gran nivel de precisión.

“Los resultados combinados de las observaciones de las colaboraciones CMS y LHCb están de acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar y ayudan a eliminar o restringir una serie de modelos que prevén índices de decaimiento más elevados que los observados”, dijo Novaes.

Análisis conjunto

Ambas colaboraciones llevaron adelante sus observaciones entre 2011 y 2012, y anunciaron sus resultados individualmente para el decaimiento de mesones B_s en julio de 2013.

Según Novaes, si bien los resultados individuales eran coincidentes, ambos se ubicaban un tanto por debajo del nivel de precisión estadística de 5 Sigma, históricamente exigido en el área de física de partículas para atestiguar resultado de una observación.

“En física de partículas, 5 Sigma indica 99,9994% de probabilidad de que el resultado de la medición esté correcto y que existe una chance entre 1.750.000 de que se trate de un desvío estadístico”, explicó.

El análisis conjunto de los datos obtenidos en el marco de ambas colaboraciones, teniendo en cuenta las correlaciones y las incertidumbres, excedió ese margen de confianza y llegó a 6.2 Sigma.

“Ambas mediciones, realizadas en el marco de las colaboraciones por separado, son compatibles con el Modelo Estándar y permiten establecer restricciones rigurosas a teorías que van más allá de éste”, destacan los autores en el artículo.

“Las mediciones precisas de las magnitudes electrodébiles constituyen una forma indirecta y complementaria de obtener límites que predicen nuevas partículas pesadas”, afirmó Novaes.

Las observaciones de las dos colaboraciones se realizaron con energía de centro de masa del LHC entre 7 y 8 teraelectrón-voltios (TeV).

La reiniciación de las operaciones del LHC en las próximas semanas, registrando colisiones con energía en el centro de masa de 13 TeV y con haces más intensos de protones, permitirá duplicar la producción de mesones B_s y B⁰, y, por consiguiente, aumentar aún más la precisión de las mediciones de los índices de decaimiento de esas partículas.

Asimismo, esto permitirá la reanudación de la búsqueda directa de nuevas partículas pesadas que podrán producirse en el acelerador, y también hará posible develar cualquier señal de nuevos fenómenos ubicados más allá del Modelo Estándar, según estiman los científicos del área.

Puede leerse el artículo intitulado Observation of the rare B_s⁰ →µ+µ− decay from the combined analysis of CMS and LHCb data (doi: 10.1038/nature14474) en la siguiente dirección electrónica: www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14474.html.