El modelo estándar de física de partículas describe las propiedades e interacciones de los constituyentes de la materia. El desarrollo de esta teoría comenzó a principios de la década de 1960, y en 2012, la última pieza del rompecabezas se resolvió con el descubrimiento del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN en Suiza. Los experimentos han confirmado una y otra vez las predicciones muy precisas del Modelo Estándar.

Todavía, los investigadores tienen razones para creer que la física más allá del modelo estándar existe y debe encontrarse. Por ejemplo, el Modelo Estándar no explica por qué la materia domina sobre la antimateria en el universo. Tampoco proporciona pistas sobre la naturaleza de la materia oscura, la sustancia invisible que es cinco veces más frecuente que la materia regular que observamos.

En esta sesión de preguntas y respuestas, La física de partículas Vera Lüth analiza los resultados científicos que potencialmente apuntan a la física más allá del Modelo Estándar. El profesor emérita de física experimental de partículas en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía es coautor de un artículo de revisión publicado hoy en Naturaleza que resume los resultados de tres experimentos:BABAR en SLAC, Belle en Japón y LHCb en CERN.

¿Cuáles son las pistas de la nueva física que describe en su artículo?

Las pistas provienen de estudios de una partícula elemental, conocido como el mesón B, una partícula inestable producida en la colisión de potentes haces de partículas. Más precisamente, Estos estudios analizaron las desintegraciones del mesón B que involucran leptones, partículas elementales cargadas eléctricamente y sus neutrinos asociados. Hay tres leptones cargados:el electrón, un componente crítico de los átomos descubierto en 1897; el muón, observado por primera vez en rayos cósmicos en 1937; y la tau mucho más pesada, descubierto en el anillo de almacenamiento de electrones-positrones (e + e-) de SPEAR en SLAC en 1975 por Martin Perl.

Debido a sus masas muy diferentes, los tres leptones también tienen vidas muy diferentes. El electrón es estable mientras que el muón y la tau se desintegran en cuestión de microsegundos y una fracción de picosegundo, respectivamente. Una suposición fundamental del modelo estándar es que las interacciones de los tres leptones cargados son las mismas si se tienen en cuenta sus diferentes masas y vidas.

A lo largo de muchos años, diferentes experimentos han probado esta suposición - conocida como "universalidad leptónica" - y hasta la fecha no se ha observado una violación definitiva de esta regla. Ahora tenemos indicaciones de que las tasas de desintegración del mesón B que involucran leptones tau son mayores de lo esperado en comparación con las tasas de desintegración medidas que involucran electrones o muones, teniendo en cuenta las diferencias de masa. Esta observación violaría la universalidad del leptón, un supuesto fundamental del Modelo Estándar.

¿Qué significa realmente una violación del Modelo Estándar?

Significa que hay evidencia de fenómenos que no podemos explicar en el contexto del Modelo Estándar. Si tal fenómeno está firmemente establecido, Es necesario ampliar el Modelo Estándar, introduciendo nuevas partículas fundamentales y también nuevas interacciones relacionadas con estas partículas.

En años recientes, Las búsquedas de fenómenos fundamentalmente nuevos se han basado en mediciones de alta precisión para detectar desviaciones de las predicciones del Modelo Estándar o en búsquedas de nuevas partículas o interacciones con propiedades que difieren de las conocidas.

¿Qué son exactamente los BABAR, ¿Experimentos Belle y LHCb?

Son tres experimentos que han desafiado la universalidad del leptón.

Belle y BABAR fueron dos experimentos diseñados específicamente para estudiar los mesones B con una precisión sin precedentes:partículas que son cinco veces más pesadas que el protón y contienen un quark bottom o b. Estos estudios se realizaron en anillos de almacenamiento e + e, que se conocen comúnmente como fábricas B y operan a energías de haz colisionante lo suficientemente altas como para producir un par de mesones B, y ninguna otra partícula. BABAR operó en el PEP-II de SLAC de 1999 a 2008, Belle en KEKB en Japón de 1999 a 2010. La gran ventaja de estos experimentos es que los mesones B se producen por pares, cada una decayendo en partículas más ligeras - en promedio cinco partículas cargadas y un número similar de fotones.

El experimento LHCb continúa operando en el colisionador protón-protón LHC con energías que exceden las de las fábricas B en más de un factor de 1, 000. A esta energía superior, Los mesones B se producen a una velocidad mucho mayor que en las fábricas B. Sin embargo, en cada cruce de las vigas, además de los mesones B se producen cientos de otras partículas. Esta característica complica enormemente la identificación de las desintegraciones del mesón B.

Para estudiar la universalidad de los leptones, los tres experimentos se centran en las desintegraciones B que involucran un leptón cargado y un neutrino asociado. Un neutrino no deja rastro en el detector, pero su presencia se detecta como energía y momento faltantes en una desintegración B individual.

¿Qué evidencia tiene hasta ahora de una posible violación de la universalidad del leptón?

Los tres experimentos han identificado desintegraciones específicas del mesón B y han comparado las tasas de desintegración que involucran a un electrón o muón con las que involucran al leptón tau de mayor masa. Los tres experimentos observan tasas de desintegración más altas de lo esperado para las desintegraciones con tau. El valor medio de los resultados informados, teniendo en cuenta las incertidumbres estadísticas y sistemáticas, supera la expectativa del modelo estándar en cuatro desviaciones estándar.

Esta mejora es intrigante, pero no se considera suficiente para establecer sin ambigüedades una violación de la universalidad del leptón. Para reclamar un descubrimiento, Los físicos de partículas generalmente exigen un significado de al menos cinco desviaciones estándar. Sin embargo, el hecho de que esta mejora fue detectada por tres experimentos, operando en entornos muy diferentes, merece atención. Sin embargo, se necesitarán más datos, y se esperan en un futuro no muy lejano.

¿Cuál fue su papel en esta investigación?

Como coordinador técnico de la colaboración BABAR durante la construcción del detector, Yo era el enlace entre los físicos y los equipos de ingeniería, apoyado por el equipo de gestión de proyectos BABAR en SLAC. Con más de 500 miembros BABAR de 11 países, esta fue una tarea desafiante, pero con la experiencia combinada y la dedicación de la colaboración, el detector se completó y estuvo listo para tomar datos en cuatro años.

Una vez que los datos estuvieron disponibles, Me reincorporé al Grupo de Investigación C de SLAC y asumí el liderazgo de Jonathan Dorfan. Como coordinador del grupo de trabajo de física sobre desintegraciones B que involucran leptones, Coordiné varios análisis de científicos de diferentes grupos externos, entre ellos, postdoctorados y estudiantes de posgrado de SLAC, y ayudó a desarrollar las herramientas de análisis necesarias para mediciones de precisión.

Hace casi 10 años, comenzamos a actualizar un análisis anterior realizado bajo el liderazgo de Jeff Richman de la Universidad de California, Santa Bárbara en B desintegraciones que involucran leptones tau y lo extendió al conjunto completo de datos BABAR. Esto resultó en una tasa de desintegración sorprendentemente grande. El análisis fue el tema de la tesis doctoral de mi último estudiante de posgrado, Manuel Franco Sevilla, quienes a lo largo de cuatro años hicieron una serie de contribuciones absolutamente críticas que mejoraron significativamente la precisión de esta medición, y de ese modo realzó su importancia.

¿Qué lo mantiene entusiasmado con la física de partículas?

Durante los últimos 50 años que he estado trabajando en física de partículas, He sido testigo de un enorme progreso en la teoría y los experimentos que conducen a nuestra comprensión actual de los constituyentes de la materia y sus interacciones en el nivel más fundamental. Pero aún quedan muchas preguntas sin respuesta, desde los muy básicos como "¿Por qué las partículas tienen ciertas masas y no otras?" a preguntas sobre la gran escala de las cosas, como "¿Cuál es el origen del universo, y hay más de uno? "

La universalidad de Lepton es uno de los supuestos fundamentales del Modelo Estándar. Si fuera violado, Deben existir nuevos procesos físicos inesperados. Este sería un gran avance, incluso más sorprendente que el descubrimiento del bosón de Higgs, que se predijo que existía hace muchas décadas.

¿Qué resultados espera en un futuro próximo?

En realidad, están sucediendo muchas cosas en el campo. Los investigadores del LHCb están recopilando más datos e intentarán averiguar si se viola realmente la universalidad del leptón. Supongo que deberíamos saber la respuesta a finales de este año. Una confirmación será un gran acontecimiento y sin duda desencadenará una intensa investigación experimental y teórica.

En la actualidad no entendemos el origen de la mejora observada. Primero asumimos que podría estar relacionado con un socio cargado del bosón de Higgs. Aunque las características observadas no coincidieron con las expectativas, una extensión del modelo de Higgs podría hacerlo. Otra posible explicación que no se puede confirmar ni descartar es la presencia de los denominados lepto-quarks. Estas preguntas abiertas seguirán siendo un tema muy interesante que debe abordarse mediante experimentos y trabajos teóricos.

Recientemente, Los científicos del LHCb han informado de un resultado interesante que indica que ciertas desintegraciones del mesón B incluyen más a menudo un par de electrones que un par de muones. Sin embargo, la importancia de este nuevo hallazgo es solo alrededor de 2.6 desviaciones estándar, por lo que es demasiado pronto para sacar conclusiones. BABAR y Belle no han confirmado esta observación.

En la fábrica B de próxima generación, Super-KEKB en Japón, El nuevo experimento Belle II está programado para comenzar su programa de investigación planificado de 10 años en 2018. Los grandes conjuntos de datos nuevos que se esperan abrirán muchas oportunidades para búsquedas de estas y otras indicaciones de la física más allá del Modelo Estándar.