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Se refuerzan los indicios de nuevas partículas en el CERN

El experimento LHCb ha medido con precisión las desintegraciones de una partícula pesada que parece sentir predilección por los electrones. Este comportamiento no se puede entender con la física de partículas conocida.

Representación de una colisión de partículas en el experimento LHCb. La colisión tiene lugar abajo a la izquierda y las partículas se propagan hacia la derecha a través de diferentes “capas” del detector, cuyo objetivo es identificar el tipo de partícula y medir algunas de sus propiedades. Al final del recorrido, a la derecha, las partículas se frenan para poder medir cuánta energía llevaban. Esta colisión en concreto tuvo lugar el 9 de mayo de 2016.
Representación de una colisión de partículas en el experimento LHCb. La colisión tiene lugar abajo a la izquierda y las partículas se propagan hacia la derecha a través de diferentes “capas” del detector, cuyo objetivo es identificar el tipo de partícula y medir algunas de sus propiedades. Al final del recorrido, a la derecha, las partículas se frenan para poder medir cuánta energía llevaban. Esta colisión en concreto tuvo lugar el 9 de mayo de 2016.CERN / LHCb Collaboration
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Desde su puesta en marcha en el año 2010, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN –el LHC, por sus siglas en inglés– ha descubierto 60 partículas nuevas. De ellas, la más célebre con mucha diferencia es el bosón de Higgs, descubierto en el año 2012. ¿Por qué no hemos oído hablar de las demás? Muy sencillo: porque son partículas compuestas. Al igual que el protón y el neutrón están hechos de quarks y gluones y los podríamos considerar más bien un enjambre de partículas unidas muy fuertemente, existe una plétora de otros enjambres, con cosas diferentes en su interior, que son igual de partículas que un protón o un neutrón. De éstos, el LHC ha descubierto cincuenta y nueve.

El descubrimiento de una partícula compuesta se considera “menos noticia” que el de una partícula elemental como el Higgs. Al fin y al cabo es “sólo” una forma nueva de combinar cosas que ya conocemos, ¿verdad? Y sin embargo, algunas de estas nuevas partículas compuestas son auténticas novedades: los tetraquarks y pentaquarks podrían ser las primeras partículas formadas por más de tres quarks, y el oderón, la primera formada exclusivamente por gluones. Y, de nuevo, esta semana las partículas compuestas han decidido reivindicarse: es en las desintegraciones de una de ellas donde podríamos estar encontrando la primera ventana más allá de la física de partículas conocida.

El Modelo Estándar

Las interacciones entre las partículas elementales vienen descritas por una teoría física a la que llamamos Modelo Estándar. Las ecuaciones del Modelo Estándar explican cómo las cargas de diferente signo se atraen, por qué se producen las desintegraciones radiactivas, y también cómo los quarks y los gluones forman las partículas compuestas. Es una teoría extremadamente exitosa, que explica prácticamente todo lo que vemos en el mundo de las partículas. Se le escapan apenas un par de cosas: las masas de los neutrinos y la materia oscura. Y ahora, quizá, una cosa más.

El electrón es uno de los miembros de honor del Modelo Estándar. Es la partícula más antigua, y también una de las más abundantes del universo. A lo largo del siglo XX descubrimos que el electrón no está solo, sino que lo acompañan dos “primos” a los que llamamos muón y tau. El muón y el tau son idénticos al electrón en todo menos en su masa: son mucho más pesados, y eso hace que sean inestables y vivan sólo unas fracciones de segundo. Pero están ahí: aparecen dondequiera que se acumule suficiente energía y, tras agotar su vida efímera, se desintegran. Los vemos continuamente en los aceleradores de partículas y en las cascadas de rayos cósmicos que caen desde lo alto de la atmósfera.

El “parentesco” entre electrón, muón y tau no es único en el Modelo Estándar. De hecho, es generalizado: casi todas las partículas tienen dos “primos” que son iguales que ellas, pero con una masa diferente. Tres parece el número mágico: las partículas parecen estar repetidas tres veces, y por eso hablamos de que el Modelo Estándar tiene tres familias, cada una más pesada que la anterior. Quizá esta triplicidad sea especialmente famosa en el caso de los neutrinos, que forman un trío especialmente bien avenido.

En esta tabla vemos las 17 partículas que forman el Modelo Estándar (en realidad el número depende un poco de a qué le llamemos “partícula”, pero digamos que son 17). Los leptones, en verde, son las que más nos interesan para nuestro tema de hoy: se caracterizan porque sólo interaccionan mediante la fuerza débil o mediante su carga eléctrica. Los quarks y los leptones se organizan en tres familias, cada una formada por cuatro partículas. Las partículas de familias diferentes que están en la misma fila tienen exactamente las mismas propiedades salvo por la masa, que siempre es distinta. En la casilla de cada partícula vemos tres números: el de arriba es su masa, el central es su carga eléctrica y el inferior es su espín.
En esta tabla vemos las 17 partículas que forman el Modelo Estándar (en realidad el número depende un poco de a qué le llamemos “partícula”, pero digamos que son 17). Los leptones, en verde, son las que más nos interesan para nuestro tema de hoy: se caracterizan porque sólo interaccionan mediante la fuerza débil o mediante su carga eléctrica. Los quarks y los leptones se organizan en tres familias, cada una formada por cuatro partículas. Las partículas de familias diferentes que están en la misma fila tienen exactamente las mismas propiedades salvo por la masa, que siempre es distinta. En la casilla de cada partícula vemos tres números: el de arriba es su masa, el central es su carga eléctrica y el inferior es su espín.MissMJ / Cush (Wikimedia)

Dejando de lado la masa, las tres familias son idénticas: el muón siente las mismas interacciones que el electrón, y físicamente no puede hacer cosas demasiado diferentes. Esto es especialmente acusado a altas energías, cuando muones y electrones se mueven tan rápido que no es fácil decir qué masa tiene cada uno. En ese mundo de altas velocidades la física no distingue entre un muón y un electrón, y en la práctica ambos son idénticos. O, bueno… deberían ser idénticos.

¿Todos los leptones nacen iguales?

Es en este punto cuando entra en la historia nuestra partícula compuesta de hoy: los mesones B. Se trata de partículas formadas por un quark y un antiquark, que están unidos por un mar de gluones y otros quarks. Lo que distingue a los mesones B es que contienen un bottom o un antibottom, un quark de la tercera familia. Esto tiene varias consecuencias: la primera es que son partículas bastante pesadas, y tienen vidas muy cortas. La segunda es que, como son muy pesadas, sus desintegraciones pueden involucrar a partículas de las tres familias. Digamos que en un mesón B hay energía suficiente para producir cosas tanto de la primera como de la segunda familia, y eso quiere decir que en sus desintegraciones entra en juego prácticamente el Modelo Estándar al completo. Son procesos que exploran todos los recovecos, todos los detalles de esta cosa a la que llamamos Modelo Estándar.

Lógicamente, esto también quiere decir que los mesones B pueden desintegrarse de muchas maneras. De hecho tienen cientos de formas distintas de desintegrarse, y los físicos llevan décadas estudiándolas. Hoy estamos aquí reunidos sobre todo por dos de ellas: cuando un mesón B cargado se desintegra a un kaón y una pareja electrón-positrón o a un kaón y una pareja muón-antimuón. El kaón no es lo que más nos interesa: es otra partícula compuesta, formada por quarks y antiquarks. Lo interesante es que en el proceso de desintegración aparecen electrones o aparecen muones. Como hemos dicho, el B tiene mucha energía, así que esos electrones y muones aparecen con velocidades muy altas: justo en el régimen en que son prácticamente idénticos. Así pues, cabría esperar que la probabilidad de que un mesón B produzca electrones sea la misma de que produzca muones, porque a esas energías la física no distingue entre unos y otros.

Y la noticia está en que parece que la física sí distingue entre ellos. Este martes el experimento LHCb, un especialista en estudiar la física del quark bottom, anunció una nueva medida de estos dos tipos de desintegración. Obtuvieron que los mesones B se desintegran más a electrones que a muones: un 54% de las veces se produjo una pareja electrón-positrón, y sólo un 46% aparecieron un muón y un antimuón. La diferencia es pequeña, pero es una diferencia, y no hay manera de encajarla dentro del Modelo Estándar: según éste, las proporciones deberían ser 50% de electrones y 50% de muones. Estas cifras requieren de un nuevo fenómeno físico que haga los electrones más “apetecibles” para los mesones B. Este proceso físico estaría fuera del Modelo Estándar, y sería una emocionante ventana a una física completamente desconocida.

Este diagrama representa la desintegración que hoy nos interesa: entra por la izquierda un mesón B con carga positiva, algo ocurre en el centro, y salen hacia la derecha un kaón positivo y una pareja leptón-antileptón (que serán electrones o muones). Es importante subrayar que no sabemos lo que ocurre en la parte central. Es posible que ahí sólo estén jugando un papel las partículas del Modelo Estándar, y entonces deberíamos tener un 50% de electrones y 50% de muones, pero también podrían estar interviniendo otras partículas, desconocidas hasta ahora, que serían las responsables de que se produzcan más electrones que muones.
Este diagrama representa la desintegración que hoy nos interesa: entra por la izquierda un mesón B con carga positiva, algo ocurre en el centro, y salen hacia la derecha un kaón positivo y una pareja leptón-antileptón (que serán electrones o muones). Es importante subrayar que no sabemos lo que ocurre en la parte central. Es posible que ahí sólo estén jugando un papel las partículas del Modelo Estándar, y entonces deberíamos tener un 50% de electrones y 50% de muones, pero también podrían estar interviniendo otras partículas, desconocidas hasta ahora, que serían las responsables de que se produzcan más electrones que muones.Alberto Aparici / Alec Aivazis

La batalla de la estadística

Pero cuidado: las cifras todavía no son definitivas. El proceso de desintegración de una partícula es un fenómeno aleatorio, de forma que nuestro conocimiento de él aumenta a medida que lo vemos más veces. Podríamos decir que cada desintegración de un B a kaones + leptones es… como tirar una moneda. Si sale cara, tengo una pareja electrón-positrón. Si sale cruz, muón-antimuón. Lógicamente, esperamos obtener un 50% de unos y un 50% de los otros, y ahora mismo estamos obteniendo un 54-46. Pero eso puede deberse a que hemos tirado la moneda pocas veces: si sólo la tiramos tres veces nos pueden salir tres caras y no estaremos muy sorprendidos. Si la tiramos cien veces y nos salen cien caras… ya nos parecerá un poco más raro.

La colaboración LHCb ha tirado la moneda muchas veces. Llevan tirándola, en realidad, desde 2010. Con estos resultados que acaban de presentar nos informan de que la probabilidad de que las cifras reales sean 50-50 es de una entre mil. O sea, que podríamos estar viendo 54-46 y que los números reales sean 50-50, pero sería un caso de extrema mala suerte. Pero no queremos dejar la física en manos de la suerte. No nos apetece ir por ahí diciendo “Bueno, seguramente hayamos descubierto alguna cosa, pero en fin, nunca se sabe”. En física de partículas la norma es que para afirmar que hemos descubierto algo tenemos que reducir la probabilidad de que el azar nos esté engañando a menos de una entre un millón. Ahora mismo es de una entre mil, así que a esto aún no se le llama “descubrimiento”. Hablamos de “indicios” o de “evidencias”.

Esta gráfica muestra cómo ha cambiado con el tiempo nuestro conocimiento de estas desintegraciones de los mesones B. En el eje horizontal tenemos el valor del cociente entre el número de veces que la desintegración produce muones y el número de veces que produce electrones. En el Modelo Estándar, como ambos son equiprobables, ese cociente debería valer 1 (línea de puntos). En la parte superior de la figura vemos la medida del experimento BaBar, anterior a 2010, en la que las incertidumbres son muy grandes y el cociente podía tomar cualquier valor entre 0.4 y 1.2. Abajo del todo tenemos la última medida de LHCb, en la que se establece que el valor más probable debería estar entre 0.8 y 0.9. Este número es equivalente a un 54% de electrones - 46% de muones.
Esta gráfica muestra cómo ha cambiado con el tiempo nuestro conocimiento de estas desintegraciones de los mesones B. En el eje horizontal tenemos el valor del cociente entre el número de veces que la desintegración produce muones y el número de veces que produce electrones. En el Modelo Estándar, como ambos son equiprobables, ese cociente debería valer 1 (línea de puntos). En la parte superior de la figura vemos la medida del experimento BaBar, anterior a 2010, en la que las incertidumbres son muy grandes y el cociente podía tomar cualquier valor entre 0.4 y 1.2. Abajo del todo tenemos la última medida de LHCb, en la que se establece que el valor más probable debería estar entre 0.8 y 0.9. Este número es equivalente a un 54% de electrones - 46% de muones.LHCb Collaboration

Para convertir estos indicios en un descubrimiento sólo hay que hacer una cosa: seguir tirando la moneda. De cada tres millones de mesones B, sólo uno se desintegra como a nosotros nos interesa. Necesitamos muchos mesones B, pues, para tener una sola moneda. Pero el premio es grande: la primera evidencia experimental en décadas de que la física de partículas necesita un remiendo. O quizá una revisión completa, quién sabe. Ése es el sueño de todos los físicos de partículas, pero no podemos alegrarnos todavía. Como quien no quiere la cosa, compraremos una botella de champán y la guardaremos en el armario. Confiaremos en que experimentos como LHCb nos permitan sacarla dentro de no muchos años.

QUE NO TE LA CUELEN

  • La estadística puede ser traicionera. Una probabilidad entre mil puede parecer muy poco, suficiente para decir “Ya está. ¡Lo hemos descubierto!”. Sin embargo, es del todo habitual que indicios como éste aparezcan en los datos y al cabo de unos años se desvanezcan. Es preciso ser paciente y esperar a tirar la moneda más veces.
  • El Modelo Estándar es una de las teorías más exitosas de la historia de la ciencia. Como estudia objetos muy sencillos, las partículas subatómicas, nos permite calcular algunas propiedades de esos objetos con gran precisión. Pero, al mismo tiempo, en el momento en que intentamos aplicarla a objetos más complejos se vuelve rápidamente intratable. Estudiar las propiedades de partículas compuestas usando el Modelo Estándar es muy difícil, y en muchos casos no sabemos cómo hacerlo. Para algo como un átomo, que podríamos pensar que es bastante sencillo, ni siquiera nos planteamos usar el Modelo Estándar.

REFERENCIAS

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