Possibles senyals de Nova Física trobats en una nova anàlisi conjunta de dades de LHCb i altres experiments
20/04/2017
Un equip de recerca internacional ha presentat una anàlisi global d’un conjunt d’observables relacionats amb un tipus de desintegracions rares de mesons B en diferents experiments: majoritàriament LHCb, Belle, així com resultats preliminars d’ATLAS i CMS.
El resultat de l’anàlisi considerant 30 observables (molts d’ells proposats per aquest grup) ha mostrat que el Model Estàndard està desafavorit com a solució per a explicar aquests observables amb cinc sigmes de desviació estàndard (“5 sigmes”) respecte la solució de Nova Física. En recerca directa, una discrepància de 5 sigmes s’anomena convencionalment descoberta. Si només es consideren observables que testegen la universalitat del sabor leptònic, es troba una evidència de no-universalitat en un rang entre 3 i 4 sigmes.
L’equip de recerca està format per Sebastien Descotes-Genon, director del Laboratoire de Physique Theorique (LPT, CNRS, Orsay); Joaquim Matias, professor de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i investigador a l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE); Javier Virto, investigador postdoctoral a l’Albert Einstein Center for Fundamental Physics (University of Bern); Lars Hofer, investigador postdoctoral al departament FQA, ICC, Universitat de Barcelona (UB); Andreas Crivellin, investigador postdoctoral al Paul Scherrer Institut (PSI, Villingen, Suïssa); i Bernat Capdevila, estudiant predoctoral a la UAB i IFAE.
Desintegracions rares de mesons B i Nova Física
Les desintegracions rares estan suprimides en el Model Estàndard (ME) i, per tant, són un banc de proves excel·lent per buscar Nova Física que pot competir amb el ME en aquestes desintegracions. Alguns exemples són la desintegració d’un mesó B en una partícula d’espín-1 anomenada K* i dos muons, o bé un mesó Bs que decau en dos muons.
Nova Física és una manera genèrica de referir-se a la teoria més fonamental que pot reemplaçar el ME. Sabem que el ME no és capaç d’explicar algunes observacions importants com, per exemple, l’existència de matèria fosca o l’asimetria de matèria i anti-matèria a l’univers.
30 observables en quatre experiments diferents
Un observable és una quantitat física que pot ser mesurada i comparada amb una predicció teòrica. En l’anàlisi global present, s’han calculat 30 observables i després han estat mesurats en un o en varis dels quatre experiments mencionats prèviament.
El primer pas important es va duu a terme l’any 2005, en un article on es va proposar una nova classe d’observables, anant més enllà de les anàlisis tradicionals, els quals presentaven un gran potencial per observar Nova Física. Més tard, l’any 2012 i 2013, el grup va presentar un conjunt complet d’aquesta classe d’observables, i va trobar una discrepància de 3.7 sigmes amb el Model Estàndard. LHCb va confirmar aquesta tensió en el 2015 amb més dades, i un any després, Belle va confirmar també aquesta tensió amb un resultat que estava amb molt bon acord amb LHCb. Fa un parell de setmanes, a la Conferència de Moriond, ATLAS i CMS han presentat resultats molt preliminars; ATLAS confirmant l’anomalia i CMS més consistent amb el ME. Durant aquest període, una llarga llista d’altres desviacions respecte el ME s’han mesurat.
Un tipus molt especial d’aquestes desviacions ve de dos observables anomenatsRK i RK*. Són quocients entre el decaïment d’un mesó B-(B0) en un kaó (o K*) i en un muó anti-muó o bé una parella electró positró. Estan dissenyats per testejar una propietat del ME anomenada universalitat de sabor leptònic. Són observables molt nets i aporten informació important. En primer lloc, apunten cap a indicis de que la natura podria violar la universalitat de sabor leptònic i en segon lloc, sota aquesta hipòtesi, són totalment consistents amb la resta d’observables.
Universalitat de sabor leptònic
La universalitat de sabor leptònic és una propietat del Model Estàndard que tracta tots els leptons d’una manera democràtica a nivell de les interaccions (amb diferències en els decaïments mencionats prèviament que provenen dels quocients de les masses leptòniques). Aquesta democràcia implica que hom podria esperar que les mesures dels dos observables RK i RK* fossin al voltant de la unitat, però en canvi ambdós han estat mesurats i els valors obtinguts són al voltant de 0.75.
Perspectives futures
Aquests resultats obren una nova direcció de recerca. Així mateix, LHCb està focalitzat en produir i mesurar una llarga llista d’aquest tipus d’observables que permetran testejar universalitat per intentar confirmar el que s’ha vist en els observables RK i RK*. Alguns d’aquests nous observables podrien permetre separar diferents possibilitats de Nova Física.
Una solució possible d’aquesta discrepància amb les prediccions del Model Estàndard podria ser que el que estiguéssim veient fos el primer indici d’una nova partícula. Dos dels possibles candidats podrien ser un bosó de gauge Z’ (similar a la coneguda partícula Z però amb acoblaments molt diferents a les partícules) o leptoquarks. Això requereix d’una explicació en termes de models. O bé models que continguin una partícula Z’ amb acoblaments molt específics (en particular acoblaments predominantment a muons y no a electrons) o models que incloguin leptoquarks. Aquestes són una classe genèrica de partícules que permeten als leptons i als quarks interaccionar i tenen càrrega de color i electrofeble, a més es troben de forma natural, per exemple, en models de gran unificació.
Enllaç a l’article:
https://arxiv.org/abs/1704.05340
Enllaç a l’anunci de LHCb:
http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/