1r ciclo ¿Ruptura de la universalidad leptónica? ¿Física más allá del modelo estándar?

[Alriga]

Atención, leo recién publicado en arxiv un artículo que, de confirmarse sus resultados, podría ser muy importante. Lo publica la Colaboración LHCb en el CERN, (luego la cosa es seria) y dice en el abstract:

El Modelo Estándar de la física de partículas proporciona actualmente nuestra mejor descripción de las partículas fundamentales y sus interacciones. La teoría predice que los diferentes leptones cargados, el electrón, el muón y el tau, tienen idéntica fuerza de interacción electrodébil.
Las mediciones anteriores han demostrado que una amplia gama de desintegraciones de partículas son consistentes con este principio de universalidad de los leptones. Este artículo presenta pruebas de la ruptura de la universalidad de los leptones en las desintegraciones de los beauty-quarks, con una significación de 3,1 desviaciones estándar, basadas en datos de colisiones protón-protón recogidos con el detector LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.
Las mediciones corresponden a procesos en los que un mesón bello se transforma en un mesón extraño con la emisión de un electrón y un positrón, o de un muón y un antimuón. Si se confirma en futuras mediciones, esta violación de la universalidad de los leptones implicaría una física más allá del Modelo Estándar, como una nueva interacción fundamental entre quarks y leptones.

Según el Modelo Estándar, los muones y los electrones interactúan con todas las fuerzas de la misma manera, por lo que los quarks de belleza creados en LHCb deberían desintegrarse en muones con la misma frecuencia que en electrones.

Pero estas nuevas mediciones sugieren que las desintegraciones podrían estar ocurriendo a diferentes velocidades, lo que podría sugerir la existencia de partículas desconocidas que inclinan la balanza hacia los muones: esta medida cuestiona que las leyes de la naturaleza traten a los electrones y a sus primos más pesados, los muones, de manera idéntica, excepto por pequeñas diferencias debido a sus diferentes masas.

Notad que de momento "solo" tenemos 3.1 sigmas, que el paper no es definitivo en una revista de Física peer-review, por lo que hay que esperar confirmación, pero hago una excepción y me adelanto por la potencial relevancia de la noticia.

El artículo es: Test of lepton universality in beauty-quark decays

Y a nivel divulgación en la web del CERN: Intriguing new result from the LHCb experiment at CERN. The LHCb results strengthen hints of a violation of lepton flavour universality

Información adicional: 23 March 2021: Strengthened hints for a violation of lepton universality in B decays. Update of RK measurement

Saludos.

ACTUALIZADO: He visto ahora que ya había ciertos rumores sobre el tema en los últimos años, La Mula Francis escribió varios artículos sobre el tema: Universalidad Leptónica

[carroza]

Gracias, Alriga.

Voy a explicar algo más del artículo, y a hacer de abogado del diablo.

La explicación:

- El mesón B+, que se produce, entre otras muchas cosas, en las colisiones del LHC, se describe en el modelo de quarls como un quark u y un antiquark $\bar b$. Este mesón, de masa 5279 MeV, decae por interacción débil de muchas formas, y el experimento se centra en los casos que producen parejas $(e^+ e^-)$. o $(\mu^+ \mu^-)$. junto a un kaon positivo K+, que se describe en el modelo de quarks como un quark u y un antiquark $\bar s$.

- En el decaimiento resonante, se cuentan los casos en los que la pareja $(e^+ e^-)$. o $(\mu^+ \mu^-)$ tiene, en su sistema centro de momentos, una energía de 3069 MeV que corresponde al mesón $J/\Psi$ que se describe en el modelo de quarls como un quark c y un antiquark $\bar c$. Así, en el decaimiento resonante, el proceso es $B^+ \to J/\Psi + K^+$ y posteriormente $J/\Psi \to e^+ e^-$, o $J/\Psi \to \mu^+ \mu^-$. En este decaimiento resonante se cumple perfectamente la universalidad, es decir, los muones se comportan exactamente como si fueran electrones con masa mayor. Los datos experimentales correspondientes al decaimiento resonante aparecen en los paneles inferiores de la figura dos, del atriculo, y como se puede ver son datos muy limpios.

- En el decaimiento no resonante, se cuentan los casos en los que la pareja $(e^+ e^-)$. o $(\mu^+ \mu^-)$ tienen condiciones diferentes a las de la resonancia, y en el experimento se fijan unas ciertas condiciones cinemáticas (es decir, unos cortes en las energías y ángulos de las partículas medidas) para asegurar que esto es así. Así, en el decaimiento no resonante, ocurre directamente $B^+ \to e^+ + e^- + K^+$, o bien $B^+ \to \mu^+ + \mu^- + K^+$. En este decaimiento no resonante es donde no se conserva la universalidad, es decir, los muones no se comportan exactamente como si fueran electrones con masa mayor. Los datos experimentales correspondientes al decaimiento no resonante aparecen en los paneles inferiores de la figura dos, del atriculo, y como se puede ver, es necesario una sustracción de fondo, que podría afectar los datos.

El abogado del diablo:

- Como se indica en el articulo, la interaccion fuerte entre quarks, dada por la QCD, todavía no permite evaluaciones muy precisas de procesos como este. Sin embargo, si pudieramos ignorar las masas de los leptones frente a la de los quarks, sea lo que sea lo que pasa con los quarks, los leptones $(e^+ e^-)$. y $(\mu^+ \mu^-)$ se producirían con la msima probabilidad. Las masas de $e, \mu$ (0.511 y 105 MeV), son muy pequeñas frente a la masa del quark b y c (5000 MeV y 1500 MeV), pero no son pequeñas frente a las masas del u y d. Por tanto, si estos quarks ligeros jugaran un papel en la producción de leptones, la diferencia de masas podría jugar un papel, sin afectar a la universalidad de las interacciones. Entiendo, por el articulo, que esto se ha tenido en cuenta en los cáluclos, aunque no se si es un tema completamente cerrado.

- Aunque los electrones y los muones se comporten igual (salvo masas) en los procesos microscópicos, no se detectan igual. Los detectores de muones y de electrones funcionan de forma diferente, y las eficiencias no tienen por qué ser iguales. Los autores tienen esto en cuenta considerando un doble cociente: (Producción no resonante)/(produccion resonante) de muones, dividido por (Producción no resonante)/(produccion resonante) de electrones. Esto eliminaría cualquier factor global de eficiencia de los detectores de muones frente a la de electrones. Sin embargo, como la cinemática es diferente para la deteccion resonante frente a no-resonante, pudiera ser que hubiera alguna cuestion de eficiencias que explicara los resultados.

- El fondo: No es el mismo el fondo de muones que el fondo de electrones. Podemos imaginar que en un sistema tan complejo como el detector LHCb, habría muchísimas fientes de electrones que uno debe eliminar para tener una medida limpia. El fondo de muones, por contra siempre es inferior. Como comenté antes, en la figura 2, panel superior, aparece mucho fondo en los daos de producción no resonante de $(e^+ e^-)$. Si este fondo se sustrae de otra forma, los resultados podrían ser diferentes.

Un saludo

[Alriga]

En relación con este tema de la universalidad leptónica, leo publicado ayer en la web de la Universidad de Cambridge:

Físicos de Cambridge anuncian resultados que aumentan la evidencia de una nueva física fundamental. En marzo de 2020, el mismo experimento reveló evidencia de partículas que rompían uno de los principios centrales del Modelo Estándar, lo que sugiere la posible existencia de nuevas partículas y fuerzas fundamentales. Ahora, nuevas mediciones realizadas por físicos del Laboratorio Cavendish de Cambridge han encontrado efectos similares, lo que impulsa el caso de nueva física.

La forma en que decaen los quarks de belleza puede verse influenciada por la existencia de fuerzas o partículas no descubiertas. En marzo, un equipo de físicos del LHCb publicó resultados que mostraban evidencia de que los quarks beauty (belleza) se descomponían en muones con menos frecuencia que en sus primos más ligeros, los electrones. Esto es imposible de explicar en el Modelo Estándar, que trata a los electrones y a los muones de manera idéntica, aparte del hecho de que los electrones son unas 200 veces más ligeros que los muones. Como resultado, los quarks de belleza deberían descomponerse en muones y electrones a la misma velocidad. En cambio, los físicos de LHCb descubrieron que la desintegración del muón solo ocurría alrededor del 85% de la frecuencia con la que se desintegra el electrón. La diferencia entre el resultado de LHCb y el modelo estándar fue de aproximadamente 3 sigma.

El nuevo resultado se ha determinado examinando dos nuevas desintegraciones de quarks de belleza de la misma familia de desintegraciones que se utilizó en el resultado de marzo. El equipo encontró el mismo efecto: las desintegraciones de muones solo ocurrían alrededor del 70% de la frecuencia con la que se desintegra el electrón. Esta vez, el error es algo mayor, ya que la desviación respecto del modelo estándar es de alrededor de 2 sigma.

Suponiendo que el resultado sea correcto, la explicación más probable es que una nueva fuerza que atrae electrones y muones con diferentes fuerzas está interfiriendo con la forma en que estos quarks de belleza se descomponen. Sin embargo, para asegurarse de que el efecto sea real, se necesitan más datos para reducir el error experimental. Solo cuando un resultado alcanza el umbral de 5 sigma, los físicos de partículas comenzarán a considerarlo un descubrimiento genuino.

Según el Dr. Harry Cliff del Laboratorio Cavendish "el hecho de que hayamos visto el mismo efecto que nuestros colegas en marzo ciertamente aumenta las posibilidades de que realmente estemos al borde de descubrir algo nuevo"

Fuente en la Universidad de Cambridge: Cambridge physicists announce results that boost evidence for new fundamental physics

El pre-print de arxiv del artículo científico es: Tests of lepton universality using B0→K0S ℓ+ℓ− and B+→K∗+ ℓ+ℓ− decays

En la página web del CERN dicen "Los nuevos test de universalidad leptónica muestran el mismo patrón de desviación observado en resultados anteriores"

Fuentes: LHC seminar: New tests of lepton universality using rare B decays with K0S mesons in the final state at LHCb y también 19 October 2021: New tests of lepton universality show the same pattern as deviations seen in previous results

Estaremos atentos a cómo evoluciona el tema, saludos.

[carroza]

Hola. Feliz año a todos.

Con respecto al artículo citado, es importante ver qué dicen los autores en el abstract

Tests of lepton universality in B0→ K0 S ` +` − and B+→ K∗+` +` − decays where ` is either an electron or a muon are presented. The differential branching fractions of B0→ K0 S e +e − and B+→ K∗+e +e − decays are measured in intervals of the dilepton invariant mass squared. The measurements are performed using proton-proton collision data recorded by the LHCb experiment, corresponding to an integrated luminosity of 9 fb−1 . The results are consistent with the Standard Model and previous tests of lepton universality in related decay modes. The first observation of B0→ K0 S e +e − and B+→ K∗+e +e − decays is reported.

La frase "the results are consistent with the standard model", inmplica que no hay violación de la universalidad, aunque los experimentos muestren una cierta falta de decaimiento en muones. la cautela se debe a que, si mirais las figuras 1 y 2 del articulo, hay un fondo importante que hay que sustraer, y eso es siempre ambiguo, así que los propios autores no dicen que haya una desviación de la universalidad.

Un saludo

[Alriga]

...Según el Modelo Estándar, los muones y los electrones interactúan con todas las fuerzas de la misma manera, por lo que los quarks de belleza creados en LHCb deberían desintegrarse en muones con la misma frecuencia que en electrones.

Pero estas nuevas mediciones sugieren que las desintegraciones podrían estar ocurriendo a diferentes velocidades, lo que podría sugerir la existencia de partículas desconocidas que inclinan la balanza hacia los muones: esta medida cuestiona que las leyes de la naturaleza traten a los electrones y a sus primos más pesados, los muones, de manera idéntica, excepto por pequeñas diferencias debido a sus diferentes masas.

Notad que de momento "solo" tenemos 3.1 sigmas, que el paper no es definitivo en una revista de Física peer-review, por lo que hay que esperar confirmación, ...

Se acabó la controversia, a finales del mes pasado la colaboración LHCB publicó en su página web Improved lepton universality measurements show agreement with the Standard Model (Las mediciones mejoradas de universalidad leptónica muestran concordancia con el modelo estándar)

Básicamente lo que ha sucedido es que los resultados obtenidos en este nuevo análisis, que ha utilizado la muestra completa de datos recogidos durante los dos periodos anteriores de funcionamiento del LHC (Run 1 y Run 2, entre 2011 y 2018), coinciden con las predicciones teóricas del modelo estándar.

Este nuevo análisis de LHCb recién publicado, se ha desarrollado a lo largo de los últimos cinco años y ha sido el más completo hasta ahora. Aquí los investigadores han considerado por primera vez y simultáneamente, dos modos diferentes de desintegración para los mesones B y han conseguido controlar mejor los procesos de fondo (ruido) que pueden confundirse con desintegraciones de mesones B en electrones. Además, los dos modos de desintegración se han medido en dos regiones de masa diferentes, lo que ha permitido realizar cuatro comparaciones independientes. Los resultados obtenidos en este análisis mejorado concuerdan perfectamente con el principio de universalidad del sabor leptónico que predice el Modelo Estándar. El estudio, por tanto, descarta la existencia de anomalías en la universalidad leptónica.

Pre-Publicaciones en arxiv:

Measurement of lepton universality parameters in B+→K+ℓ+ℓ− and B0→K∗0ℓ+ℓ− decays

Test of lepton universality in b→sℓ+ℓ− decays

La Mula Francis ha escrito una entrada sobre el tema: LHCb confirma la universalidad leptónica del modelo estándar en las desintegraciones de quarks bottom

Saludos.

[carroza]

Gracias, Alriga.

Un apunte sobre el tema: Parece que todas las evidencias encontradas hasta ahora en LHC indican que el modelo estandar funciona muy bien. Esto no quiere decir que el modelo estandar sea la teoría definitiva: tiene demasiados parámetros, no explica la materia oscura, no unifica la QCD con la eletrodébil, no incluye la gravitación, etc. Sin embargo, puede considerarse como una teoría efectiva, muy robusta, que explica muy bien los experimentos realizables en el rango de energía accesibles (Tera electron voltios).

Podríamos comparar el modelo estándar, en relación con una teoría más completa, con la físcia clásica en relación con la relatividad. Supuesto que las velocidades sean sensiblemente inferiores a la de la luz, la física clásica funciona muy bien. Del mismo modo, podríamos especular que, supuesto que la energía fuera muy inferior a la energía de Planck ($10^{15} TeV$) el modelo estándar funcionaría muy bien.

Si la visión anterior fuera cierta, cambiaría el paradigma que ha guiado a la física de partículas en los últimos 70 años: construir aceleradores cada vez más potentes, con indicios claros de que se descubrira "nueva física", conforme se aumentara un orden de magnitud la energía. Con centenares de MeV se descubren los piones y otros mesones y los quarks ligeros, pero yukawa ya predijo el pión en los años 30. Con centenares de GeV se producen los quarks pesados, las W, las Z, y finalmente el Higgs, pero estos ya estaban predichos en los años 60. Si no se tiene claro que aparezcan cosas distintas a centenares de TeV, entonces quizás quepa cuestionarse la construcción de nuevos aceleradores, más allá del LHC.

Saludos

[Weip]

Si la visión anterior fuera cierta, cambiaría el paradigma que ha guiado a la física de partículas en los últimos 70 años: construir aceleradores cada vez más potentes, con indicios claros de que se descubrira "nueva física", conforme se aumentara un orden de magnitud la energía. Con centenares de MeV se descubren los piones y otros mesones y los quarks ligeros, pero yukawa ya predijo el pión en los años 30. Con centenares de GeV se producen los quarks pesados, las W, las Z, y finalmente el Higgs, pero estos ya estaban predichos en los años 60. Si no se tiene claro que aparezcan cosas distintas a centenares de TeV, entonces quizás quepa cuestionarse la construcción de nuevos aceleradores, más allá del LHC.

Saludos

Hola carroza, si bien es cierto lo que dices y en parte estoy de acuerdo, creo que a veces se olvida mencionar algunos problemas dentro del modelo estándar que justificarían contruir otros aceleradores más allá del LHC y que estuvieran más especializados.

Con esto me refiero por ejemplo a entender la física del Higgs, las propiedades del quark top o a explorar con más precisión el sector no perturbativo de QCD. Para según qué mediciones el LHC empieza a quedar pequeño y a veces se olvida que es igual de importante descubrir nueva física de forma directa con nuevas partículas como indirecta entendiendo con detalle la ruptura de la simetría electrodébil, conocer los acoplos del Higgs con otros campos, la forma del potencial, tener datos precisos de los factores de forma de los mesones para poder entender QCD a bajas energías... Para esto último además se suma el hecho que la teoría no llega a más y no se ha avanzado mucho desde el nacimiento del modelo estándar. Modelos teóricos no faltan, pero hay otros problemas como el momento magnético anómalo del muón que requiere una precisión en las contribuciones hadrónicas que difícilmente se puede obtener con métodos perturbativos.

Es decir, hay problemas dentro del propio modelo estándar que justificarían construir más aceleradores.

Quizás, y no sé hasta qué punto es poco realista hoy en día, para la tarea de explorar la física a energías mucho más altas que el LHC más que aceleradores son necesarios métodos para obtener información de rayos cósmicos o fenómenos astrofísicos en general. O al menos sería una alternativa más prometedora que barrer rangos de energía a ciegas.

[carroza]

Hola, Weip.

Totalmente de acuerdo contigo. Lo que indicas es lo que entra dentro del programa de High-Luminosity LHC, y, con matices, en el International Linear collider.

Yo me refiero que el programa de "fuerza bruta", en el que se prioriza ir a energías más altas, ya que se espera que siempre va a haber cosas nuevas que se producirán con los nuevos aceleradores, puede que tenga sus limitaciones.

Es llamativo el caso de las partículas supersimétricas, a las que se consideraba que resolverían el problema de la materia oscura, así como problemas de fine tuning del modelo estándar. No han parecido por ningun lado, dentro de todos los experimentos de LHC.

Por otro lado, estoy totalmente de acuerdo que es necesario conocer mejor el modelo estandar, en el sector QCD no perturbativo, pero para ello no hacen falta aceleradores más energéticos (que hacen la QCD más perturbativa), sino analizar en más profundidad la inmensidad de datos existentes, por ejemplo de jets de hadrones.

Saludos

[Alriga]

Dos nuevos artículos publicados en Physical Review Letters cierran el tema: no hay violación de la universalidad leptónica, el Modelo Estándar sigue firme, los artículos son:

Test of Light-Lepton Universality in the Rates of Inclusive Semileptonic B-Meson Decays at Belle II

Test of Lepton Universality in b -> sl+ l- Decays

La Mula Francis lo explica en Belle II y LHCb le dicen adiós a la violación de la universalidad leptónica en mesones B

Saludos.