Los electrones con "colegas", otros leptones, son uno de los muchos productos de las colisiones observadas en el experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones. Según los teóricos, algunas de estas partículas pueden crearse en procesos que se extienden más allá de la física estándar. El último análisis verifica estas predicciones.

¿Las anomalías observadas en el experimento LHCb en la desintegración de los mesones B ocultan partículas hasta ahora desconocidas fuera del Modelo Estándar actualmente válido y bien probado? Para responder a esta pregunta, Los físicos no solo buscan más signos de la existencia de nuevas partículas, sino también por rastros de los fenómenos que pueden ocurrir con ellos. Uno de los procesos propuestos por los teóricos que van más allá del mundo de la física conocida es la ruptura del principio de conservación del sabor leptónico. Este hipotético fenómeno fue el centro de interés de un grupo internacional de investigadores, que incluía representantes del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (FIP PAN) en Cracovia, Technische Universität en Dortmund (TUD) y Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en París. Prestaron especial atención al análisis de los datos recopilados en 2011-12 durante las colisiones de protones como parte del experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN cerca de Ginebra. Sus resultados se discuten en el prestigioso Cartas de revisión física .

Gracias a décadas de experimentos y mediciones realizadas por físicos nucleares e investigadores de rayos cósmicos, se sabe que las partículas de materia se dividen en dos familias completamente independientes:quarks y leptones (con sus contrapartes antimateria). Quarks (arriba, abajo, encanto, extraño, arriba y abajo) siempre aparecen en grupos. Los sistemas de dos quarks se conocen como mesones, los compuestos por tres quarks son bariones. Estos últimos incluyen protones y neutrones, las partículas que forman los núcleos atómicos. Sucesivamente, los leptones incluyen electrones, muones, partículas tau y sus neutrinos correspondientes.

"Las propiedades de los leptones y los quarks difieren fundamentalmente. Como resultado, Ambos grupos de partículas se describen utilizando conjuntos de diferentes números, llamados números cuánticos. Uno de los números cuánticos que se utilizan para describir los leptones es el número de leptones. Por ejemplo, cada electrón tiene un número de electrones de 1. A su vez, contrapartes de antimateria de los electrones, es decir, positrones, tener un número de electrones de -1, "explica el Dr. Jihyun Bhom (IFJ PAN), el autor principal del análisis. "Así es como llegamos al fenómeno clave para explicar el significado de nuestro trabajo. Bajo el Modelo Estándar, se aplica el principio de conservación del número de leptones. Dice que la suma del número de leptones de partículas al principio y al final del proceso debe ser siempre la misma ".

El requisito de preservar el número de leptones significa que si, por ejemplo, dos electrones con un número total de electrones de dos participan en una interacción, al final del proceso, este número también será dos. En el ejemplo presentado, bajo el modelo estándar es posible producir dos electrones, así como cuatro electrones y dos positrones, etcétera.

Tanto los leptones como los quarks se pueden dividir en tres grupos llamados generaciones. La existencia del mismo número de generaciones de leptones y quarks llevó a los teóricos a suponer que con suficiente energía, los leptones y los quarks podrían 'soldarse' en leptoquarks, partículas hipotéticas con las características tanto de leptones como de quarks. Si existieran Los leptoquarks deben ser partículas inestables con masas muy altas, comparable incluso a la masa de un núcleo de plomo completo.

"En procesos que involucran leptoquarks, los números de leptones no se conservan. La detección de rastros de fenómenos en los que se violó el principio de preservación del número de leptones sería, por lo tanto, un paso significativo en el camino hacia la detección de partículas fuera del Modelo Estándar. En particular, nos facilitaría la interpretación de la naturaleza de las anomalías que recientemente han sido cada vez más claramente visibles en los datos de la desintegración de los mesones B, es decir, partículas que contienen el quark down y el quark bottom, "dice el Dr. Bhom.

En los últimos análisis estadísticos resultó necesario utilizar inteligencia artificial, y no solo una.

"Estábamos interesados ​​en las desintegraciones del mesón B que conducen a la formación del mesón K, un muón y un electrón. Sin embargo, da la casualidad de que en el modelo estándar, una proporción significativa de desintegraciones del mesón B conduce a exactamente los mismos productos con la adición de neutrinos (estos últimos no pueden registrarse). Este enorme trasfondo tuvo que eliminarse con mucha precisión de los datos recopilados. Una inteligencia artificial fue responsable de esta tarea. El segundo resultó necesario para deshacerse de los residuos de fondo que pasaron por el primero, "explica el Dr. Bhom.

A pesar del uso de sofisticadas herramientas matemáticas, los investigadores de IFJ PAN, TUD y CNRS no pudieron detectar rastros de fenómenos que rompían la preservación del número de leptones. Sin embargo, No hay mal que por bien no venga.

"Con una certeza de hasta el 95%, hemos mejorado las restricciones existentes sobre las soluciones presentadas por los teóricos para explicar la presencia de anomalías en la desintegración de los mesones B en todo un orden de magnitud. Como resultado, somos los primeros en haber reducido significativamente el área de búsqueda de teorías que expliquen la existencia de estas anomalías utilizando nueva física, "enfatiza el Dr. Bhom.

Si existen, los procesos que rompen el principio de preservar el número de leptones obviamente ocurren con mucha menos frecuencia de lo que podrían predecir las extensiones más populares del Modelo Estándar que involucran leptoquarks. Y lo que es más, las anomalías en la desintegración de los mesones B no tienen por qué estar asociadas con nuevas partículas. Todavía no se puede descartar la posibilidad de que sean artefactos de técnicas de medición, las herramientas matemáticas utilizadas o el resultado de no tener en cuenta algún fenómeno que ocurre dentro de la física conocida actualmente. Uno solo puede esperar que subsecuentemente, análisis ya iniciados, teniendo en cuenta los últimos datos recopilados en el LHC, finalmente disipará las dudas sobre la existencia de la física más allá del Modelo Estándar dentro de unos años.