Branching fraction measurement of the $\mathit{\Lambda} \to p \mu^- \overline{\nu}_{\mu}$ decay

El experimento LHCb ha medido con una precisión dos veces mayor que la anterior la rama de desintegración del proceso $\mathit{\Lambda} \to p \mu^- \overline{\nu}_{\mu}$ utilizando datos de colisiones protón-protón a 13 TeV, obteniendo un resultado consistente con el Modelo Estándar y mejorando las pruebas de la universalidad del sabor leptónico en transiciones de quarks $s \to u$.

Lo esencial

¡Hola! Imagina que el LHCb es como un fotógrafo ultra-rápido y super-poderoso que trabaja en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Su trabajo es tomar miles de millones de "fotos" de choques entre partículas de protones para ver qué sale disparado.

En este nuevo artículo, los científicos han logrado una hazaña increíble: han medido con una precisión nunca antes vista cómo una partícula llamada Lambda ($\Lambda$) se desintegra (o "se rompe") en otras partículas más pequeñas.

Aquí te lo explico con una analogía sencilla:

1. El Protagonista: La Partícula Lambda

Imagina que la partícula Lambda es como un globo de helio que está muy inestable. De repente, explota y se convierte en otras cosas.

• A veces, explota y deja un protón (que es como una pequeña piedra sólida) y un pion (que es como una canica). Esto es algo muy común y ya lo conocemos bien.
• Otras veces, explota y deja un protón, un muón (que es como un "primo" pesado del electrón) y un neutrino (una partícula fantasma que casi no pesa y es muy difícil de atrapar).

El problema es que la segunda explosión (la que deja el muón) es muy rara. Es como si el globo decidiera explotar de una forma muy específica solo una vez cada 10,000 veces.

2. El Reto: Encontrar la Aguja en el Pajero

El equipo del LHCb tenía que encontrar esas pocas explosiones "raras" entre millones de explosiones "normales".

• El truco: Usaron una técnica de "comparación". Imagina que quieres saber cuántas veces sale un billete de 100 euros de una máquina expendedora, pero es muy difícil de contar. En su lugar, cuentas cuántas veces sale un billete de 1 euro (que es muy común) y luego comparas la proporción.
• En este caso, contaron millones de desintegraciones "normales" (Lambda $\to$ protón + pion) para usarlas como regla de medida y así calcular con precisión cuántas veces ocurre la versión "rara" (Lambda $\to$ protón + muón + neutrino).

3. El Detective: ¿Por qué es importante?

Los físicos tienen una regla de oro en el universo llamada Universalidad del Sabor Leptónico. Es como decir: "El universo trata a todos los electrones y muones exactamente igual, sin importar si son 'ligeros' o 'pesados', siempre que la energía sea la misma".

• Si la regla funciona, la proporción entre las explosiones con muones y las que tienen electrones debe ser un número fijo y predecible.
• Si la proporción es diferente, ¡significa que hay nueva física! Algo que el modelo actual no explica (como si el universo tuviera un "sesgo" secreto).

4. El Resultado: ¡Precisión de Reloj Suizo!

Los científicos de este estudio han logrado:

• Medir la probabilidad: Han calculado que la desintegración rara ocurre en aproximadamente 1.46 de cada 10,000 casos.
• Mejorar la precisión: Han duplicado la precisión de la mejor medición anterior (hecha por el laboratorio BESIII en China). Es como pasar de medir una distancia con una regla de madera a usar un láser de alta tecnología.
• La prueba: Compararon su resultado con la teoría. ¡Coincide perfectamente! El número que obtuvieron (0.175) es muy cercano al que predice la teoría estándar (0.153 - 0.173, dependiendo de los cálculos).

¿Qué significa esto para nosotros?

1. El Modelo Estándar sigue fuerte: Por ahora, el "manual de instrucciones" del universo (el Modelo Estándar) sigue siendo correcto. No hemos encontrado "nueva física" en esta partícula específica.
2. Un paso más: Aunque no encontramos una nueva partícula mágica, al medir con tanta precisión, hemos cerrado la puerta a muchas teorías locas que decían que las cosas deberían comportarse de otra manera.
3. El misterio de la materia: También han usado estos datos para calcular mejor un número fundamental llamado $|V_{us}|$, que ayuda a entender por qué el universo está hecho de materia y no se ha desintegrado en la nada.

En resumen:
Los científicos han usado el colisionador más grande del mundo como una cámara de alta velocidad para contar cómo se rompen unas partículas raras. Han demostrado que el universo sigue siendo muy predecible y justo con sus partículas, pero ahora lo sabemos con una precisión que antes era imposible. ¡Es como si hubiéramos afinado el radio del universo para escuchar mejor sus secretos!

Resumen técnico

A continuación presento un resumen técnico detallado del artículo CERN-EP-2025-223 / LHCb-PAPER-2025-030, titulado "Branching fraction measurement of the $\Lambda \to p\mu^-\nu_\mu$ decay", realizado por la colaboración LHCb.

1. Problema y Contexto Científico

El objetivo principal de este trabajo es realizar una medición de alta precisión de la fracción de ramificación del decaimiento semileptónico del hiperón lambda a un protón y un muón: $\Lambda \to p\mu^-\nu_\mu$.

Este estudio aborda dos problemas fundamentales en la física de partículas:

• Universalidad del Sabor Leptónico (LFU): Aunque las violaciones de la LFU se han observado en transiciones $b \to c$, existe un interés sostenido en probar la LFU en transiciones de quarks de tipo $s \to u$ (hiperones). Cualquier desviación de las predicciones del Modelo Estándar (SM) en estas transiciones podría indicar nueva física (operadores escalares o tensoriales).
• Determinación de $|V_{us}|$: La medición precisa de las tasas de decaimiento semileptónico de hiperones permite extraer el elemento de la matriz CKM $|V_{us}|$. Esto es crucial para probar la unitariedad de la primera fila de la matriz CKM ($|V_{ud}|^2 + |V_{us}|^2 + |V_{ub}|^2 = 1$), dado que existe una tensión conocida (la "anomalía del ángulo de Cabibbo") entre los valores de $|V_{us}|$ obtenidos de decaimientos de kaones y otras fuentes.

Anteriormente, la medición más precisa de esta fracción de ramificación provenía del experimento BESIII (2021), con una incertidumbre del ~14%. Este trabajo busca mejorar significativamente esa precisión.

2. Metodología

El análisis se basa en datos de colisiones protón-protón ($pp$) recopilados por el detector LHCb durante los años 2016-2018 (Run 2 del LHC) a una energía de centro de masa de 13 TeV, correspondientes a una luminosidad integrada de 5.4 fb$^{-1}$.

Estrategia de Medición

La fracción de ramificación se mide de forma relativa utilizando el decaimiento $\Lambda \to p\pi^-$ como canal de normalización, cuya fracción de ramificación está bien conocida ($0.641 \pm 0.005$). La relación se expresa como:
$$\mathcal{B}(\Lambda \to p\mu^-\nu_\mu) = \mathcal{B}(\Lambda \to p\pi^-) \times \frac{\epsilon_{\Lambda \to p\pi^-}}{\epsilon_{\Lambda \to p\mu^-\nu_\mu}} \times \frac{N_{\Lambda \to p\mu^-\nu_\mu}}{N_{\Lambda \to p\pi^-}}$$
Donde $\epsilon$ son las eficiencias de selección y $N$ los rendimientos (yields) obtenidos.

Selección de Candidatos y Variables Cinemáticas

Dado que el neutrino escapa a la detección, la reconstrucción del evento es desafiante. Se emplearon estrategias cinemáticas avanzadas para separar la señal del fondo:

1. Clasificación de fondos: El fondo principal proviene de $\Lambda \to p\pi^-$ donde el pión decae en vuelo ($\pi^- \to \mu^-\bar{\nu}_\mu$). Se clasificaron estos eventos según el punto de decaimiento del pión (dentro o fuera del detector de vértices, VELO).
2. Momento longitudinal del neutrino ($p_L(\nu_\mu)$): Para eventos donde el pión decae dentro del VELO, se reconstruye el momento longitudinal del neutrino imponiendo la masa conocida del $\Lambda$. Se requiere que el argumento dentro de la raíz cuadrada de la ecuación de momento sea positivo, lo que elimina gran parte del fondo combinatorio.
3. Masa Corregida ($m_{Corr}(p\pi)$): Para eventos donde el pión decae fuera del VELO, se calcula un momento corregido del pión ($\vec{p}^{Corr}_\pi$) tal que el vector de momento total del $\Lambda$ apunte hacia el vértice primario (PV). La masa invariante corregida $m_{Corr}(p\pi)$ se utiliza para discriminar la señal.
4. Selección TIS (Trigger Independent of Signal): Se seleccionaron candidatos que fueron disparados por otras partículas en la colisión, no por la señal misma. Esto asegura una consistencia entre el canal de señal y el de normalización, cancelando muchas incertidumbres sistemáticas relacionadas con el disparo (trigger).

Análisis Estadístico

• Canal de Normalización: Se ajustó la distribución de masa invariante $m(p\pi)$ en datos utilizando una función Crystal Ball modificada y una distribución Johnson SU.
• Canal de Señal: Se realizó un ajuste de máxima verosimilitud binned en un plano 2D de $m_{Corr}(p\pi)$ vs. $m(p\pi)$. Se utilizaron plantillas de simulación para el señal ($\Lambda \to p\mu^-\nu_\mu$), fondos físicos ($\Lambda \to p\pi^-$ y sus decaimientos en vuelo) y fondo combinatorio.
• Correcciones: Se aplicaron correcciones a las simulaciones para alinear las distribuciones de momento transversal ($p_T$) y pseudorapidez ($\eta$) con los datos, utilizando el algoritmo GBReweighter. También se corrigieron eficiencias de identificación de partículas (PID) y rastreo.

3. Contribuciones Clave

• Precisión sin precedentes: Esta es la medición más precisa de la fracción de ramificación de $\Lambda \to p\mu^-\nu_\mu$ hasta la fecha, mejorando la precisión en un factor de dos respecto a la medición anterior de BESIII.
• Primera prueba de LFU en hiperones en LHCb: El análisis proporciona la primera determinación de la razón de universalidad de sabor leptónico ($R_{\mu e}$) en decaimientos de hiperones utilizando datos de LHCb.
• Control sistemático riguroso: La estrategia de usar un canal de normalización con topología similar y la selección TIS permitió cancelar la mayoría de las incertidumbres sistemáticas dominantes (eficiencias de disparo, rastreo y PID).
• Validación con Lattice QCD: Los resultados se comparan directamente con cálculos recientes de Cromodinámica Cuántica en Red (Lattice QCD) que incluyen contribuciones de segunda clase previamente ignoradas.

4. Resultados

El resultado principal de la medición es:
$$\mathcal{B}(\Lambda \to p\mu^-\nu_\mu) = (1.462 \pm 0.016 \text{ (est)} \pm 0.100 \text{ (sist)} \pm 0.011 \text{ (norm)}) \times 10^{-4}$$
O, redondeado a la incertidumbre total:
$$\mathcal{B}(\Lambda \to p\mu^-\nu_\mu) = (1.46 \pm 0.10) \times 10^{-4}$$
La incertidumbre total es del 6.9%.

A partir de esta medición y utilizando la vida media del $\Lambda$, se extrajeron los siguientes resultados:

1. Extracción de $|V_{us}|$:

   • Usando predicciones de Lattice QCD conservadoras: $|V_{us}| = 0.235 \pm 0.016$.
   • Usando predicciones con menores incertidumbres (pero menos conservadoras): $|V_{us}| = 0.2459 \pm 0.0085$.
   • Ambos valores son consistentes con la unitariedad de la matriz CKM, aunque con incertidumbres mayores que las obtenidas en decaimientos de kaones.

2. Prueba de Universalidad del Sabor Leptónico ($R_{\mu e}$):
   Se calculó la razón de tasas de decaimiento:
   $$R_{\mu e} = \frac{\Gamma(\Lambda \to p\mu^-\bar{\nu}_\mu)}{\Gamma(\Lambda \to pe^-\bar{\nu}_e)} = 0.175 \pm 0.012$$

   • Este valor es consistente con la predicción del Modelo Estándar (NLO): $0.153 \pm 0.008$ (a 1.5$\sigma$).
   • Es consistente con la predicción de Lattice QCD (2025): $0.1735 \pm 0.0098$ (a 0.1$\sigma$).
   • Es consistente con el resultado de QCD sum rules.
   • Es consistente con la medición previa de BESIII ($0.178 \pm 0.028$), pero con una precisión más de dos veces superior.

5. Significado

Este trabajo representa un hito importante en la física de hiperones y en la búsqueda de nueva física:

• Validación del Modelo Estándar: La consistencia del valor medido de $R_{\mu e}$ con las predicciones teóricas (especialmente las de Lattice QCD) refuerza la validez del Modelo Estándar en el sector de transiciones $s \to u$ y no muestra evidencia de violación de la LFU en este canal.
• Herramienta para Futuros Estudios: La metodología desarrollada demuestra la capacidad de LHCb para estudiar decaimientos raros de hadrones extraños con alta eficiencia, abriendo la puerta a mediciones aún más precisas de parámetros fundamentales y búsquedas de desviaciones sutiles de la física conocida.
• Resolución de Tensiones: Al proporcionar una determinación independiente de $|V_{us}|$ basada en bariones, este resultado contribuye al esfuerzo global para entender y resolver la "anomalía del ángulo de Cabibbo", ofreciendo una vía complementaria a los estudios de kaones.

En resumen, el experimento LHCb ha logrado la medición más precisa hasta la fecha del decaimiento $\Lambda \to p\mu^-\nu_\mu$, confirmando las predicciones del Modelo Estándar y estableciendo un nuevo estándar de precisión para las pruebas de universalidad del sabor leptónico en sistemas de hiperones.