Flavour changing charged current decays at LHCb

Este trabajo presenta las mediciones de LHCb sobre la fracción de ramificación en la desintegración $\Lambda_b^0 \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$ y los parámetros de factores de forma en la desintegración $B^0 \to D^{*+} \mu^- \nu_\mu$, las cuales son fundamentales para poner a prueba el Modelo Estándar y buscar nueva física.

Lo esencial

¡Hola! Imagina que el LHCb (un experimento gigante en el CERN) es como un detective forense ultra-avanzado que trabaja en una pista de carreras llena de caos. Su trabajo es observar las partículas subatómicas que "chocan" y se desintegran, tratando de entender las reglas ocultas del universo.

Este documento es un informe de trabajo de Biljana Mitreska, quien nos cuenta dos grandes descubrimientos recientes que ha hecho este detective. Vamos a desglosarlo con analogías sencillas.

1. El Contexto: ¿Qué están buscando?

En el mundo de las partículas, hay un "Manual de Instrucciones" llamado el Modelo Estándar. Este manual dice cómo deben comportarse las cosas. Sin embargo, los científicos sospechan que hay "trucos" o "nuevas reglas" (Nueva Física) que el manual no explica.

Para encontrar estos trucos, miran cómo ciertas partículas pesadas (llamadas hadrones-b) se desintegran. Es como ver cómo se rompe un juguete caro para ver si todas las piezas salen volando exactamente como dice el manual, o si alguna sale disparada de forma extraña.

2. El Primer Caso: El "Fantasma" en el Desintegración del Lambda ($\Lambda$)

Imagina que tienes una partícula llamada Lambda ($\Lambda$) que se desintegra en un protón, un muón (una especie de electrón pesado) y... ¡un fantasma!

• El problema: El "fantasma" es el neutrino. Es una partícula tan escurridiza que el detector del LHCb no puede verla ni tocarla. Es como intentar adivinar el peso de un paquete postal sin poder pesarlo, solo viendo cómo rebotan las otras cosas que salen del paquete.
• La solución: Los científicos usaron un truco de matemáticas y lógica. Saben exactamente cuánto pesa la partícula original (Lambda) y cuánto pesan las piezas que sí pueden ver (protón y muón). Si suman los pesos de lo que ven y les falta algo, ¡ahí está el fantasma!
• El hallazgo: Medieron con una precisión increíble (el doble de buena que antes) cuántas veces ocurre esta desintegración.
• Por qué importa: Compararon esto con lo que pasa cuando el fantasma es un electrón en lugar de un muón. El "Manual de Instrucciones" dice que deberían comportarse igual (esto se llama Universalidad de Sabor Leptónico). Sus resultados coinciden con el manual, lo cual es bueno porque confirma que sus herramientas funcionan, pero también significa que, por ahora, no encontraron un "truco" nuevo en este caso específico.

3. El Segundo Caso: El Baile de la Partícula $B^0$

En el segundo estudio, miraron una partícula llamada $B^0$ que se desintegra en una partícula $D^*$, un muón y otro neutrino (el fantasma otra vez).

• El desafío: Como el neutrino se escapa, no pueden ver el "baile" completo de la partícula. Es como intentar describir una coreografía de ballet viendo solo a dos bailarines y sabiendo que hay un tercero que se ha ido por la puerta trasera.
• La técnica: Usaron un análisis de 5 dimensiones. Imagina que en lugar de tomar una foto plana (2D) o un video (3D), tomaron una "foto holográfica" que incluye el ángulo, la velocidad y la energía de todas las piezas visibles.
• El objetivo: Querían medir unos números mágicos llamados factores de forma. Piensa en ellos como las "instrucciones de construcción" de cómo se desintegran estas partículas.
• El resultado: Por primera vez, el LHCb midió estos números usando tres métodos diferentes (llamados CLN, BGL y BLPR, que son como tres estilos de arquitectura diferentes para calcular la estructura).
  • La sorpresa: Los tres métodos dieron resultados muy similares y coincidieron con las predicciones teóricas (como los cálculos de superordenadores llamados "QCD de red").
  • La ventaja: Antes, los científicos tenían que confiar en teorías para estos números. Ahora, el LHCb los ha medido directamente con datos reales, lo que reduce los errores y hace que las predicciones sean más fiables.

4. ¿Por qué es importante todo esto?

Imagina que el Modelo Estándar es un mapa del tesoro.

• Si el mapa dice "caminas 10 pasos al norte" y tú llegas a un árbol, el mapa es correcto.
• Si llegas a un río, ¡hay un error en el mapa o hay un tesoro nuevo escondido!

Hasta ahora, estos experimentos han confirmado que el mapa es bastante preciso (los resultados coinciden con la teoría). Sin embargo, hay otras mediciones (como las de las partículas $R(D)$ y $R(D^*)$ mencionadas al principio) que sí muestran discrepancias y podrían indicar Nueva Física.

Conclusión

Este trabajo es como afinar un instrumento musical. Biliana y su equipo han afinado el detector del LHCb para escuchar las notas más sutiles de la naturaleza.

1. Han medido con mucha precisión cómo se desintegran ciertas partículas, confirmando que sus herramientas son muy buenas.
2. Han creado un nuevo "manual de instrucciones" (factores de forma) basado en datos reales, no solo en teoría.

¿Qué sigue? Con las futuras mejoras del LHCb (más datos, más velocidad), podrán escuchar notas aún más finas. Quizás, en el futuro, encuentren esa "nota desafinada" que revele un secreto nuevo del universo.

¡Es un trabajo de detective que nos ayuda a entender mejor de qué está hecho nuestro universo!

Resumen técnico

Resumen Técnico: Desintegraciones de Corriente Cargada con Cambio de Sabor en LHCb

1. Problema y Contexto Físico

Las desintegraciones semileptónicas de hadrones b son procesos fundamentales para probar el Modelo Estándar (ME) y buscar física más allá de este (BSM). Aunque ofrecen ventajas como grandes fracciones de ramificación y cálculos fiables de elementos de matriz hadrónicos, existen tensiones significativas no resueltas:

• Universalidad del Sabor Leptónico (LFU): Existe una tensión de $3.8\sigma$ entre las predicciones del ME y las mediciones experimentales de las razones de fracción de ramificación $R(D)$ y $R(D^*)$ (relación de desintegraciones a leptones $\tau$ frente a $\mu$).
• Elementos de la Matriz CKM: Hay discrepancias de $2-3\sigma$ en la determinación de los elementos $V_{ub}$ y $V_{cb}$ entre métodos inclusivos y exclusivos.
• Desafíos Experimentales: En el entorno de colisiones protón-protón (pp) del LHC, la detección de neutrinos es imposible, lo que complica la reconstrucción cinemática. Además, los eventos están contaminados por fondos combinatorios y físicos que requieren una modelización cuidadosa.

El objetivo de esta contribución es presentar dos mediciones recientes de LHCb diseñadas para abordar estos problemas: la fracción de ramificación de $\Lambda_b \to p\mu^-\bar{\nu}_\mu$ y el análisis angular de $B^0 \to D^{*-}\mu^+\nu_\mu$ para extrair parámetros de forma.

2. Metodología

A. Medición de la Fracción de Ramificación de $\Lambda_b \to p\mu^-\bar{\nu}_\mu$

• Datos: Se utilizaron datos registrados entre 2016 y 2018 con una luminosidad integrada de $5.4 \text{ fb}^{-1}$.
• Canal de Normalización: La medición se realiza relativa a la desintegración $\Lambda_b \to p\pi^-$, cuya fracción de ramificación es conocida con alta precisión.
• Selección de Eventos:
  • Se desarrollaron criterios específicos para estimar las propiedades cinemáticas del neutrino ausente.
  • Se utiliza el momento transversal del neutrino ($p_T(\nu_\mu)$), calculado a partir de las proyecciones de los momentos del protón y el muón.
  • Se aplica una restricción física: el argumento dentro de la raíz cuadrada para $p_T(\nu_\mu)$ debe ser positivo, lo que impone una condición $p_T(\nu_\mu) < \frac{m_{\Lambda_b}^2 - m_{p\mu}^2}{2m_{\Lambda_b}}$. Esto elimina gran parte del fondo combinatorio.
  • Se añade un corte en el plano de Armenteros-Podolanski para seleccionar candidatos dentro de una elipse de alta densidad de señal.
• Extracción de Resultados: Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud binnada en el plano $m_{corr}(p\pi)$ vs. $m(p\pi)$ utilizando plantillas de simulación para la señal, el canal de normalización, desintegraciones de fondo y fondo combinatorio.

B. Análisis Angular de $B^0 \to D^{*-}\mu^+\nu_\mu$

• Datos: Datos de 2011-2012 (energías de 7 y 8 TeV, $3.0 \text{ fb}^{-1}$).
• Enfoque: Se realiza un ajuste de verosimilitud binnada en cinco dimensiones utilizando los ángulos de desintegración, $q^2$ (momento transferido al par leptónico) y la masa invariante al cuadrado faltante ($m^2_{miss}$).
• Tratamiento del Neutrino: Dado que el neutrino no se detecta, el momento del $B^0$ tiene una ambigüedad cuadrática; se selecciona una solución aleatoriamente, lo que introduce una resolución del 8-12% en los ángulos y $q^2$.
• Parametrizaciones de Formas: Se utilizan tres formalismos teóricos para modelar los factores de forma hadrónicos:
  1. CLN (Caprini-Lellouch-Neubert).
  2. BGL (Boyd-Grinstein-Lebed).
  3. BLPR (Bernlochner-Ligeti-Papucci-Robinson).
• Selección del Modelo: Se emplea el criterio de información bayesiano (BIC) para determinar el orden óptimo de la serie de coeficientes en la parametrización BGL.
• Fondo Principal: Se modelan desintegraciones de $B \to D^{**}\mu\nu$ (estados $D^{**}$ estrechos).

3. Resultados Clave

A. $\Lambda_b \to p\mu^-\bar{\nu}_\mu$

• Fracción de Ramificación: Se mide por primera vez con alta precisión:
  $$\mathcal{B}(\Lambda_b \to p\mu^-\bar{\nu}_\mu) = (1.46 \pm 0.10) \times 10^{-4}$$
  Esto representa una mejora de un factor de dos en precisión respecto al mejor resultado anterior (BESIII).
• Extracción de $|V_{us}|$: Utilizando predicciones de QCD en retículo, se obtienen valores de $|V_{us}|$ consistentes con las mediciones existentes.
• Prueba de LFU: Se calcula la razón de tasas de desintegración muón-electrón:
  $$R_{\mu e} = 0.175 \pm 0.012$$
  Este valor es consistente con las predicciones teóricas de QCD en retículo (a nivel de $0.1\sigma$ para la predicción principal) y con predicciones NLO, validando la universalidad del sabor leptónico en desintegraciones $s \to u$.

B. $B^0 \to D^{*-}\mu^+\nu_\mu$ (Factores de Forma)

• Primera Medición en LHCb: Este es el primer ajuste de parámetros de factores de forma hadrónicos para este canal en LHCb.
• Parámetros Medidos: Se reportan los valores para los parámetros de CLN ($R_1, R_2, \rho^2$), BGL ($a_0, a_1, b_1, c_1, c_2$) y BLPR.
• Consistencia:
  • Los parámetros BGL satisfacen las restricciones de unitariedad.
  • Los resultados de los factores de forma $f(q^2)$ y $g(q^2)$ son compatibles con cálculos de QCD en retículo (HPQCD, Fermilab-MILC, JLQCD).
  • El factor de forma $F_1(q^2)$ muestra un mejor acuerdo con los cálculos de Fermilab-MILC y JLQCD que con HPQCD.
• Asimetría Forward-Backward ($A_{FB}$): La distribución calculada de la asimetría del muón muestra un excelente acuerdo con los resultados de Belle y con el ajuste BLPR.

4. Contribuciones y Significancia

• Precisión sin precedentes: Se establece la medición mundial más precisa de la fracción de ramificación de $\Lambda_b \to p\mu^-\bar{\nu}_\mu$, reduciendo significativamente la incertidumbre experimental.
• Validación Teórica: Las mediciones de factores de forma en $B^0 \to D^{*-}\mu^+\nu_\mu$ proporcionan datos experimentales directos que mitigan la incertidumbre sistemática asociada a la modelización teórica, ofreciendo inputs cruciales derivados directamente de los datos de LHCb.
• Prueba de LFU y CKM: Los resultados apoyan la Universalidad del Sabor Leptónico en el sector de los hiperones y contribuyen a la determinación precisa de los elementos de la matriz CKM, ayudando a resolver las tensiones actuales en la física de sabor.
• Perspectivas Futuras: Con las próximas actualizaciones de LHCb y mayores luminosidades instantáneas, se espera mejorar la precisión estadística de estas mediciones semileptónicas hasta un nivel del 3% en las razones de fracción de ramificación, siempre que se superen los desafíos de modelado de fondos y computación.

En conclusión, este trabajo demuestra la capacidad de LHCb para realizar mediciones de alta precisión en desintegraciones semileptónicas, proporcionando información complementaria a los experimentos de fábricas de B y continuando la búsqueda de desviaciones del Modelo Estándar.