Búsqueda de nueva fı́sica con el detector LHCb

El experimento LHCb busca anomalías mediante medidas de alta precisión. ¿Es posible que ya las hayamos vislumbrado?

Sabemos que el Modelo Estándar de la física de partículas está incompleto. Encontrar las piezas del puzle que faltan es el gran objetivo de los experimentos de física de partículas actuales, como los situados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

A lo largo del túnel del LHC existen varios detectores, los cuales siguen estrategias diferentes. Los detectores de propósito general como ATLAS o CMS buscan nuevas partículas sobre un gran fondo constante de sucesos. Pero esta no es la única forma posible de descubrir nuevas partículas o procesos. Aunque no se produzcan directamente, las nuevas partículas pueden presentarse como virtuales y generar pequeñas fluctuaciones, afectando a otras medidas indirectamente. Esta es la estrategia seguida por LHCb, un detector diseñado para realizar medidas de alta precisión sobre un fondo de sucesos pequeño.

Para conseguir un alto nivel de precisión, se requieren colisiones muy limpias con pocas partículas de fondo. Para ello, se aplica una separación a los haces de protones, reduciendo la probabilidad de interacción con el haz opuesto. La inclinación puede regularse para que el número de colisiones protón-protón sea aproximadamente de una por cada vez que se cruzan los haces. De este modo, LHCb es excelente para medir con alta precisión las desintegraciones de baja energía.

Por alguna razón, la naturaleza parece replicar sus componentes más fundamentales, formando tres generaciones o familias. El experimento LHCb estudia el comportamiento de partículas formadas por las generaciones más pesadas. De hecho, la última letra del nombre hace referencia al quark bottom/belleza (b), el más pesado que puede formar hadrones. Los procesos en los que intervienen quarks de las últimas generaciones son interesantes porque, además de haber sido poco estudiados hasta ahora, pensamos que se verían afectados con mayor
intensidad por las posibles nuevas partículas.

Una de las principales medidas por las que el experimento LHCb se diseñó fue para estudiar la violación de la simetría CP. Este fenómeno indica un comportamiento diferente entre materia y antimateria, y podría ayudar a explicar por qué tan solo observamos materia en nuestro universo. La violación de CP se ha estudiado en muchas desintegraciones desde su descubrimiento en 1964 por Cronin y Fitch en kaones neutros, aunque parece que tan solo sucede en procesos en los que interviene la interacción débil, ¡y no sabemos exactamente por qué! Otros objetivos para los cuales el LHCb está diseñado son el estudio de las oscilaciones partícula-antipartícula de mesones neutros pesados (B0s, B0, D0), o la búsqueda de desintegraciones raras (las que suceden con una probabilidad muy
pequeña), donde a priori es más sencillo que la contribución de la nueva física sea revelada. Este tipo de medidas están englobadas en lo que se conoce como física del sabor (cada uno de los seis quarks o leptones conforma un sabor). Otro gran experimento actual dedicado a la física del sabor es Belle II, situado en Japón.

Los resultados aportados por LHCb desde que empezó a tomar datos en 2011 han tenido ya un gran impacto. Se han descubierto varias resonancias exóticas, compuestas por cuatro quarks (tetraquarks) o cinco quarks (pentaquarks), aunque todavía está por determinar la naturaleza de estos últimos, los cuales podrían tratarse de dos hadrones muy ligados. También se ha descubierto la desintegración de mesones B0s a dos muones, la cual sucede con una frecuencia muy pequeña (una entre mil millones), y cuya medida limita una buena porción de los escenarios de nueva física.

Pero sin duda, uno de los resultados más relevantes es la evidencia de que la universalidad leptónica no se cumple, posiblemente la anomalía más prometedora hasta la fecha. La universalidad se refiere a que todos los leptones (electrones, muones y tauones) deberían interactuar de igual manera en los procesos físicos, y que la única diferencia entre ellos sería su masa. Sin embargo, se han observado diferentes procesos en los que parece que esto no ocurre así, fundamentalmente en desintegraciones semileptónicas (en las que intervienen un hadrón y dos leptones). Resulta que una misma desintegración es menos frecuente de lo esperado
cuando involucra muones que cuando lo hacen electrones. También hay evidencia de discrepancias en las medidas angulares de este tipo de procesos, así como un pequeño déficit en su producción cuando la energía del sistema dimuónico es pequeña. Aunque todavía no se puede hablar de descubrimiento en una medida individual, parece que todas las observaciones apuntan en una misma dirección y todas ellas, en conjunto, se hallan en tensión con respecto a los modelos actuales. Ya existen nuevos modelos teóricos para explicarlas que incluyen partículas como los leptoquarks o el bosón neutro Z. Sin embargo, habrá que esperar a
obtener más datos para confirmar esta tendencia.

Todas estas evidencias se han hallado en las primeras tomas de datos (de 2011 a 2018). Actualmente, el detector se encuentra en proceso de mejora y reemplazo, y volverá a ponerse en marcha en 2021. Será a partir de entonces cuando veremos evolucionar estas anomalías y, quizá, encontrar unas cuantas sorpresas más por el camino. La física del sabor nos ha susurrado dónde buscar, ahora nos queda coger la linterna y alumbrar lo desconocido.

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Autor: Carlos Sánchez Mayordomo

Físico de partículas. Realizó su doctorado en el IFIC, formando parte de la colaboración LHCb en el CERN.

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