Los científicos del CERN han informado sobre su primera evidencia significativa de un proceso predicho por la teoría, allanando el camino para la búsqueda de evidencia de nueva física en los procesos de partículas que podrían explicar la materia oscura y otros misterios del universo.

Hoy la colaboración CERN NA62, que está financiado en parte por el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología del Reino Unido (STFC) e involucra a varios científicos del Reino Unido, presentó en la conferencia ICHEP 2020 en Praga la primera evidencia experimental significativa de la desintegración ultra rara del kaon cargado en un pión cargado y dos neutrinos, (es decir, K ⁺ → π ⁺ νν).

El proceso de descomposición es importante en la investigación física de vanguardia porque es muy sensible a las desviaciones de las predicciones teóricas. Esto significa que es una de las cosas más interesantes de observar para los físicos que buscan evidencia para respaldar un modelo teórico alternativo en física de partículas.

Profesor Mark Thomson, físico de partículas y presidente ejecutivo de STFC, dijo que este era un progreso emocionante porque el resultado muestra cómo las mediciones precisas de este proceso podrían conducir a una nueva física, más allá del modelo estándar de física de partículas desarrollado en la década de 1970:

"El Modelo Estándar describe las fuerzas fundamentales y los bloques de construcción del universo. Es una teoría muy exitosa, pero hay varios misterios del universo que el Modelo Estándar no explica, como la naturaleza de la materia oscura y los orígenes del desequilibrio materia-antimateria en el universo.

"Los físicos han estado buscando extensiones teóricas para el modelo estándar. Las mediciones de procesos ultrararos proporcionan una vía interesante para explorar estas posibilidades, con la esperanza de descubrir nueva física más allá del Modelo Estándar ".

Los participantes del Reino Unido en esta investigación son de las Universidades de Birmingham, Bristol, Glasgow y Lancaster, y han sido financiados por STFC, que es parte de Investigación e Innovación del Reino Unido, así como por la Royal Society y el European Research Council (ERC).

El experimento NA62 ha sido diseñado y construido, con una importante contribución del Reino Unido, específicamente para la medición de estas desintegraciones de kaones ultra raras, a partir de kaones producidos por un haz de protones de alta intensidad único proporcionado por el complejo acelerador del CERN. Los kaones se crean al colisionar protones de alta energía del Sincrotrón Super Protón (SPS) del CERN en un objetivo de berilio estacionario. Esto crea un haz de partículas secundarias que contiene y propaga casi mil millones de partículas por segundo, aproximadamente el 6% de los cuales son kaones. El objetivo principal de NA62 es medir con precisión cómo la partícula de kaón cargada se desintegra en un pión y un par neutrino-antineutrino. El Reino Unido tiene un fuerte papel de liderazgo en la K ⁺ → π ⁺ Análisis de desintegración νν.

"Este proceso de desintegración de kaones se llama 'canal dorado' debido a la combinación de ser ultrarraro y excelentemente predicho en el Modelo Estándar. Es muy difícil de capturar y es una verdadera promesa para los científicos que buscan nueva física, "explica la profesora Cristina Lazzeroni, Físico de partículas en la Universidad de Birmingham, y portavoz de NA62.

“Esta es la primera vez que hemos podido obtener evidencia experimental significativa para este proceso de desintegración. Es un momento emocionante porque es un paso fundamental para capturar la medición precisa de la desintegración e identificar posibles desviaciones del Modelo Estándar.

"Sucesivamente, esto nos permitirá encontrar nuevas formas de entender nuestro universo. Los instrumentos y técnicas desarrollados en el experimento NA62 conducirán a la próxima generación de experimentos de desintegración de kaones raros ".

El nuevo resultado medido con una precisión del 30%, proporciona la medición más precisa hasta la fecha de este proceso. El resultado es consistente con la expectativa del Modelo Estándar, pero aún deja espacio para la existencia de nuevas partículas.

Se necesitan más datos para llegar a una conclusión definitiva sobre la presencia o no de nueva física.

El Dr. Giuseppe Ruggiero de la Universidad de Lancaster, STFC Ernest Rutherford Fellow, ha sido el analista líder para esta medición desde 2016, y ayudó a crear el experimento. Él dijo:

"Analizar los datos del experimento supuso un verdadero desafío. Tuvimos que suprimir una gran cantidad de datos no deseados, alrededor de mil billones de veces. Y teníamos que hacer esto sin perder la pequeña señal que queríamos detectar. ¡Esto es mucho más desafiante que encontrar una aguja en un millón de pajares! Usamos un método llamado técnica de análisis ciego. Así llamado porque el análisis se hace sin buscar en la región, o "caja ciega", donde se supone que debe estar la señal ".

STFC también financió dos becas Ernest Rutherford, uno en la Universidad de Liverpool y luego en Lancaster, y uno en la Universidad de Birmingham. Además, tres estudiantes de doctorado de la Universidad de Birmingham recibieron apoyo de STFC y uno está trabajando ahora como investigador postdoctoral en el proyecto. Los cinco físicos de 'carrera temprana' han trabajado en el proyecto.

Los datos utilizados en la investigación se tomaron entre 2016 y 2018 en el sitio de Prevessin del CERN, en Francia, y la investigación involucra a más de 200 científicos de 31 instituciones. Un nuevo período de toma de datos comenzará en 2021 y permitirá que la colaboración NA62 dé una respuesta más definitiva a la cuestión de la nueva física.

Los resultados

El nuevo resultado proviene de un análisis detallado del conjunto completo de datos NA62 recopilados hasta ahora, correspondiente a la exposición de 6 × 10 ¹² kaon decae. Debido a que el proceso que se mide es tan raro, el equipo tenía que tener especial cuidado de no hacer nada que pudiera sesgar el resultado. Por esta razón, el experimento se llevó a cabo como un 'análisis ciego', donde los físicos inicialmente solo miran los antecedentes para verificar que su comprensión de las diversas fuentes es correcta.

Solo una vez que estén satisfechos con eso, miran la región de los datos donde se espera que esté la señal; esto se llama "análisis ciego". Tras un análisis ciego, diecisiete K ⁺ → π ⁺ νν candidatos se observan en el principal conjunto de datos recopilados en 2018, revelando un exceso significativo sobre el trasfondo esperado de solo 5.3 eventos.

Este exceso conduce a la primera evidencia de este proceso (con una significación estadística por encima del nivel de "tres sigma"). La tasa de decaimiento, medido con una precisión del 30%, proporciona la medición más precisa hasta la fecha de este proceso. El resultado es consistente con la expectativa del Modelo Estándar, pero aún deja espacio para nuevos efectos físicos. Se necesitan más datos para llegar a una conclusión definitiva sobre la presencia o no de nueva física.

La probabilidad de que suceda este proceso, llamado "relación de ramificación", para la K ultra rara ⁺ → π ⁺ La desintegración de νν es muy pequeña y se predice dentro del modelo estándar de física de partículas con una alta precisión:(8,4 ± 1,0) × 10 ^-11 . Esto conduce a una sensibilidad excepcional a los posibles fenómenos más allá de la descripción del Modelo Estándar, haciendo de esta decadencia un "modo dorado", es decir, uno de los observables más interesantes en la frontera de precisión de la física de partículas. Sin embargo, el estudio experimental es extremadamente desafiante debido a la pequeña tasa, un par de neutrinos en el estado final, y enormes procesos de fondo potenciales. Por sus características, el experimento NA62 tiene una excelente sensibilidad a una variedad de desintegraciones de kaones raras y procesos exóticos.

La colaboración NA62 se está preparando para recopilar un conjunto de datos aún mayor en 2021–24, cuando el CERN SPS reiniciará su funcionamiento, tomando datos a una intensidad de haz más alta con una línea de haz mejorada y una configuración de detector. El siguiente objetivo es una observación de "cinco sigma" de la K ⁺ → π ⁺ νν decaimiento, seguido de una medición de la tasa de caída con una precisión del 10%, proporcionando así una poderosa prueba independiente del Modelo Estándar de física de partículas. El horizonte de un nuevo programa de física con una sensibilidad a las tasas de desintegración muy por debajo de los 10 ^-11 el nivel está ahora a la vista.

Para el futuro a más largo plazo, un programa de rayos kaon de alta intensidad está comenzando a tomar forma, con perspectivas para medir la K ⁺ → π ⁺ νν decaimiento a un pequeño porcentaje de precisión, para abordar la desintegración análoga del kaon neutral, KL → π ⁰ νν, y alcanzar sensibilidades extremas a una gran variedad de desintegraciones de kaones raras que complementan las investigaciones en el sector de los quarks de belleza.