Test of lepton flavour universality with $B^0\to K^{*0}\ell^+\ell^-$ decays at large dilepton invariant mass

El experimento LHCb ha realizado la primera medición en un colisionador de hadrones de la razón de ramificación $R_{K^{*0}}$ en desintegraciones $B^0\to K^{*0}\ell^+\ell^-$ a grandes masas invariantes, obteniendo un resultado consistente con la predicción del Modelo Estándar y confirmando la universalidad del sabor leptónico en este régimen.

Lo esencial

¡Hola! Imagina que el universo es una inmensa cocina donde se cocinan las partículas más pequeñas de la materia. En esta cocina, hay tres "sabores" de ingredientes muy especiales llamados leptones: el electrón, el muón y el tau.

Durante décadas, los físicos han creído en una regla de oro de la cocina cósmica llamada Universalidad del Sabor Leptónico. Esta regla dice algo muy simple: "No importa si usas un electrón o un muón como ingrediente, la receta de la naturaleza (las fuerzas que gobiernan el universo) debe tratarlos exactamente igual, como si fueran gemelos idénticos".

Sin embargo, en los últimos años, algunos chefs (físicos) han notado algo raro en ciertas recetas. Cuando cocinaban un tipo de partícula llamada mesón B (que es como una "bola de masa" inestable hecha de quarks), parecía que el muón y el electrón no se comportaban igual. ¡Era como si la receta dijera "pon dos cucharadas de azúcar" para el electrón, pero "pon tres" para el muón! Esto habría sido una prueba de que hay Nueva Física (ingredientes secretos que aún no conocemos) en el menú.

¿Qué hizo el equipo LHCb en este nuevo estudio?

El equipo LHCb, que trabaja en el CERN (el gran laboratorio de física de partículas en Suiza), decidió poner a prueba esta regla de oro con una receta muy específica: la desintegración de un mesón B en un mesón K* y un par de leptones (electrones o muones).

Pero no lo hicieron en cualquier momento. Se centraron en una zona de la receta llamada "alta masa invariante".

• La analogía: Imagina que estás escuchando una canción. Hay una parte donde la música es muy fuerte y ruidosa (llamada resonancia $\psi(2S)$), y es difícil escuchar los detalles finos. Los físicos decidieron esperar a que esa parte ruidosa terminara y analizar la música solo cuando el volumen bajaba y la melodía se volvía más clara (regiones de alta energía).

¿Cómo lo hicieron? (El experimento)

1. La Colisión: Usaron el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) para chocar protones a velocidades increíbles, creando una lluvia de mesones B.
2. La Recolección: Recogieron datos de 9 años de colisiones (lo que equivale a una "luminosidad integrada" de 9 fb⁻¹, un número enorme que representa billones de colisiones).
3. La Comparación (La Balanza): No contaron simplemente cuántos electrones y muones había. En su lugar, hicieron una comparación doble.
   • Imagina que tienes dos balanzas. En una, pesas la cantidad de "mesones B que se desintegran en muones" y en la otra, la cantidad de "mesones B que se desintegran en electrones".
   • Para asegurarse de que la balanza no está trucada por el detector (el instrumento de medición), usaron una "pesa de referencia" conocida: los mesones B que se desintegran en un par de muones o electrones a través de una partícula llamada J/$\psi$.
   • Al hacer esta división (una especie de "cocina de cocinas"), cancelaron casi todos los errores de medición.

¿Qué encontraron?

El resultado es como un suspiro de alivio para los defensores del Modelo Estándar (la receta actual del universo), pero también un poco decepcionante para los que esperaban un gran descubrimiento.

• El resultado: La relación entre la cantidad de muones y electrones fue de 1.08.
• La interpretación: Si la regla de oro fuera perfecta, el número debería ser exactamente 1.00. El 1.08 está muy cerca de 1, y las pequeñas diferencias se deben a errores estadísticos (como el ruido de fondo en una llamada telefónica).
• La conclusión: Los datos son consistentes con el Modelo Estándar. No hay evidencia de que la naturaleza trate a los muones y electrones de manera diferente en esta receta específica.

¿Por qué es importante?

1. Precisión: Es la medición más precisa jamás realizada en esta región de energía y la primera vez que se hace en un colisionador de hadrones (el LHC). Antes, solo se había visto en otros tipos de experimentos.
2. Limpieza: Al usar esta región de alta energía, los físicos eliminaron muchas dudas teóricas sobre cómo interactúan las partículas fuertes (como los quarks) con los leptones. Es una prueba "limpia".
3. El futuro: Aunque este experimento no encontró "Nueva Física" en esta receta, es crucial. Es como decir: "Hemos revisado la receta minuciosamente y todo parece correcto". Ahora, los físicos saben que si hay algo raro en el universo, no está escondido en esta parte de la cocina. Tendrán que buscar en otros lugares o con recetas más complejas.

En resumen

El equipo LHCb tomó una receta cósmica muy específica, la cocinó millones de veces y comparó dos ingredientes gemelos (electrones y muones). Descubrieron que, en esta parte del universo, los gemelos se comportan exactamente igual, tal como predice la teoría actual. No hay trampa, no hay ingrediente secreto... por ahora. Pero la búsqueda continúa, porque en la física, ¡siempre hay más por descubrir!

Resumen técnico

1. El Problema y el Contexto Físico

La Universalidad del Sabor Leptónico (LFU) es un principio fundamental del Modelo Estándar (SM) que establece que las interacciones electrodébiles acoplan idénticamente a los tres sabores de leptones cargados (electrón, muón y tau), salvo por efectos proporcionales a sus masas.

• El Desafío: Las transiciones de corriente neutra con cambio de sabor (FCNC) del tipo $b \to s\ell^+\ell^-$ ocurren solo a través de diagramas de bucle en el SM, lo que las hace extremadamente sensibles a nueva física (NP). Recientemente, mediciones de procesos $b \to s\mu^+\mu^-$ han mostrado desviaciones intrigantes (entre 2 y 4$\sigma$) respecto a las predicciones del SM en tasas de desintegración y distribuciones angulares.
• La Incógnita: Interpretar estas desviaciones es difícil debido a incertidumbres teóricas en los factores de forma hadrónicos y efectos no perturbativos. Sin embargo, las razones de desintegración entre diferentes sabores leptónicos (como electrones y muones) cancelan la mayoría de las incertidumbres hadrónicas, proporcionando una prueba teóricamente limpia de la LFU.
• El Objetivo: Medir la razón de ramas de desintegración $R_{K^{*0}}$ en el régimen de alta masa invariante del dileptón ($q^2 > 14.0 \text{ GeV}^2/c^4$), una región que había sido explorada principalmente por el experimento Belle, pero que nunca antes había sido medida en un colisionador de hadrones con tal precisión.

2. Metodología y Análisis

El análisis se basa en datos de colisiones protón-protón ($pp$) registrados por el detector LHCb durante los años 2011, 2012 (Run 1) y 2015-2018 (Run 2), correspondientes a una luminosidad integrada de 9 fb$^{-1}$ a energías de centro de masa de 7, 8 y 13 TeV.

• Canal de Señal: Se estudian las desintegraciones $B^0 \to K^{*0}\ell^+\ell^-$ (donde $K^{*0} \to K^+\pi^-$) en el rango de $q^2$ entre 14.0 y 22.0 $\text{GeV}^2/c^4$.
• Estrategia de Medición (Doble Razón): Para cancelar efectos relacionados con el detector y el disparo (trigger), se mide $R_{K^{*0}}$ como una doble razón normalizada por el modo de control $B^0 \to K^{*0}J/\psi (\to \ell^+\ell^-)$:
  $$R_{K^{*0}} = \frac{N/\varepsilon (B^0 \to K^{*0}\mu^+\mu^-)}{N/\varepsilon (B^0 \to K^{*0}J/\psi \to \mu^+\mu^-)} \bigg/ \frac{N/\varepsilon (B^0 \to K^{*0}e^+e^-)}{N/\varepsilon (B^0 \to K^{*0}J/\psi \to e^+e^-)}$$
• Tratamiento de Radiación de Frenado (Bremsstrahlung):
  • Los electrones pierden energía al interactuar con el material del detector. Se aplica una corrección de momento para recuperar la masa invariante de la $B^0$.
  • Para evitar sesgos, el cálculo de $q^2$ para la selección de electrones se realiza antes de la corrección de bremsstrahlung, mientras que la masa invariante de la $B^0$ se reconstruye después de la corrección.
  • Se utilizan procedimientos de "smearing" (ensanchamiento) en la simulación para alinear la resolución de masa de los electrones con los datos, utilizando el modo de control $J/\psi$.
• Selección y Fondo:
  • Se utilizan clasificadores multivariados (MVA) distintos para los modos de muones y electrones.
  • Se aplican vetos de masa y requisitos estrictos de identificación de partículas (PID) para suprimir fondos de resonancias como $\psi(2S)$ y fondos combinatorios.
  • El fondo de electrones mal identificados (hadrones que se confunden con electrones) se modela utilizando datos de calibración ($D^{*+} \to D^0 \pi^+$) y se incluye en el ajuste como una restricción externa.
• Ajuste Final: Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud no binned simultáneo a las distribuciones de masa invariante de la $B^0$ para los canales de muones y electrones, tanto en la región de señal ($q^2 > 14$) como en las regiones de normalización ($J/\psi$ y $\psi(2S)$).

3. Contribuciones Clave

1. Primera Medición en Colisionador de Hadrones: Este trabajo presenta la primera medición de $R_{K^{*0}}$ en el régimen de alta $q^2$ realizada en un colisionador de hadrones (LHC), superando las limitaciones estadísticas de los experimentos anteriores en colisionadores $e^+e^-$.
2. Precisión Sin Precedentes: Se logra una mejora de tres veces en la precisión estadística y sistemática en comparación con la medición previa de Belle en la misma región.
3. Control Sistemático Riguroso: El uso de una doble razón normalizada y modos de control en resonancias ($J/\psi$, $\psi(2S)$) permite controlar con gran precisión las diferencias en la eficiencia de reconstrucción entre electrones y muones, así como los efectos de la radiación de frenado.
4. Validación del Estrategia: Se valida la estrategia de análisis midiendo las razones de control $r_{J/\psi}$ y $R_{\psi(2S)}$, obteniendo resultados consistentes con la universalidad, lo que confirma la robustez del método.

4. Resultados

El valor medido de la razón de ramas de desintegración $R_{K^{*0}}$ en el rango $14.0 < q^2 < 22.0 \text{ GeV}^2/c^4$ es:

$$R_{K^{*0}} = 1.08 \begin{smallmatrix} +0.14 \\ -0.12 \end{smallmatrix} (\text{est}) \pm 0.07 (\text{sist})$$

• Consistencia con el SM: El resultado es consistente con la predicción del Modelo Estándar (que es muy cercana a 1.0) dentro de aproximadamente 0.5 desviaciones estándar ($\sigma$).
• Incertidumbres: La incertidumbre estadística es dominante ($\sim 12\%$), seguida por la incertidumbre sistemática debida a la estimación de fondos mal identificados en el canal de electrones ($5.2\%$). La incertidumbre total combinada es de aproximadamente $14\%$.

5. Significado e Impacto

• Validación de la LFU: Este resultado proporciona la prueba más precisa hasta la fecha de la universalidad del sabor leptónico en el canal $B^0 \to K^{*0}\ell^+\ell^-$ en el régimen de alta masa invariante. Confirma que, en esta región de energía, no hay evidencia de violación de la LFU que sugiera nueva física.
• Complementariedad: Complementa las mediciones anteriores en la región de baja $q^2$ (donde LHCb también ha reportado consistencia con el SM en mediciones recientes), cubriendo todo el espacio de fases accesible excepto las resonancias de quarkonio.
• Futuro: Aunque el resultado actual es consistente con el SM, la precisión alcanzada sienta las bases para futuros análisis con el aumento de datos previsto en la fase de actualización del LHCb (Upgrade II), lo que permitirá reducir aún más las incertidumbres y sondear efectos de nueva física a escalas de energía de hasta 50 TeV.

En resumen, este trabajo cierra una brecha importante en la caracterización de las desintegraciones raras de mesones B, demostrando que el detector LHCb puede realizar mediciones de precisión de la LFU en regímenes de alta energía, y hasta ahora, los datos siguen apoyando las predicciones del Modelo Estándar.