$b\to s\ell^+\ell^- (\ell = e, \mu, \tau)$ and $b\to s\nu\bar\nu$ at Belle and Belle II

Este artículo describe el uso de un conjunto de datos combinado de $1.2~\mathrm{ab}^{-1}$ de los experimentos Belle y Belle II para estudiar procesos de decaimiento de quarks $b$ que involucran neutrinos o leptones, aprovechando el entorno limpio de colisiones $e^+e^-$ para realizar mediciones inclusivas y búsquedas de canales con energía faltante.

Lo esencial

El Misterio de las Partículas "Fantasma": Un Informe de Belle y Belle II

Imagina que eres un detective intentando resolver un crimen en una fiesta de gala muy elegante. La fiesta es el colisionador de partículas (donde chocamos átomos para ver qué pasa). Los invitados son partículas conocidas, como los mesones $B$.

El problema es que, de vez en cuando, algunos invitados desaparecen de la pista de baile sin dejar rastro. No se fueron por la puerta, no se escondieron en el baño... simplemente se desvanecieron. En el mundo de la física, estas partículas "desaparecidas" son los neutrinos, que llamamos "partículas fantasma" porque son casi imposibles de detectar; atraviesan la materia como si no existiera.

1. ¿Cuál es el objetivo? (La búsqueda de los sospechosos)

Los científicos de los experimentos Belle (en Japón) y Belle II (su sucesor más potente) están buscando un tipo de "desaparición" muy específica llamada transición $b \to s$.

Piensa en esto como un truco de magia: una partícula pesada (el quark bottom) se transforma en una más ligera (el quark strange), pero en el proceso, "lanza" hacia afuera a un par de partículas fantasma (neutrinos) o a partículas muy pesadas y difíciles de ver (leptones tau).

¿Por qué nos importa? Porque si estas desapariciones ocurren de una forma distinta a lo que dicen nuestros libros de texto (el "Modelo Estándar"), significa que hay un "sospechoso invisible" actuando en las sombras. Podría ser una nueva fuerza de la naturaleza o una partícula nueva que aún no conocemos (como un "Leptoquark").

2. ¿Cómo lo hacen? (El método del "Invitado de Acompañamiento")

Como los neutrinos son invisibles, no podemos verlos directamente. Entonces, los científicos usan un truco de detective llamado "Etiquetado" (Tagging).

Imagina que en la fiesta, las partículas siempre vienen en parejas: un invitado "A" y un invitado "B". Si queremos saber qué le pasó al invitado "A" (que es el que se convierte en fantasma), primero tenemos que identificar perfectamente al invitado "B". Si reconstruimos al invitado "B" con total precisión, por pura lógica matemática, sabemos que todo lo que "falta" en la habitación debe ser lo que le pasó al invitado "A".

• Etiquetado de precisión (Hadronic tagging): Es como reconstruir cada detalle del invitado "B" (su ropa, su color de ojos, su altura). Es muy difícil y lento, pero te da una certeza absoluta.
• Etiquetado rápido (Inclusive tagging): Es como ver una sombra borrosa del invitado "B". Es más rápido, pero hay más riesgo de confundirse.

3. Los hallazgos del informe (¿Qué descubrieron?)

El informe nos cuenta varios avances emocionantes:

• La búsqueda de los "Leptones Tau" (Los invitados pesados): Los científicos buscaron procesos donde aparecían partículas llamadas tau. Estas son como los invitados más grandes y torpes de la fiesta; son muy difíciles de seguir. El estudio no encontró "fantasmas" nuevos todavía, pero puso límites muy estrictos. Es como decir: "No hemos visto al sospechoso, pero ahora sabemos con certeza que no puede ser más grande que este tamaño".
• El caso de los Neutrinos (Los verdaderos fantasmas):
  • Analizaron un proceso llamado $B^+ \to K^+ \nu \bar{\nu}$. Encontraron pistas de que estos procesos podrían estar ocurriendo con un poco más de frecuencia de la que esperábamos. Es como si notáramos que hay más gente desapareciendo de la fiesta de lo normal. Esto sugiere que podría haber algo nuevo ocurriendo en las sombras.
  • También hicieron la primera búsqueda de un grupo grande de estas desapariciones (búsqueda inclusiva). Aunque no vieron un "gran golpe", lograron establecer las reglas del juego para futuros detectives.

En resumen:

Este trabajo es como limpiar el lente de un microscopio. Los científicos de Belle II están diciendo: "Hemos observado la fiesta con una claridad nunca antes vista. No hemos atrapado al nuevo sospechoso todavía, pero hemos acotado el área de búsqueda y hemos encontrado pistas de que algo extraño está pasando en la oscuridad".

Estamos un paso más cerca de entender si las leyes de la física que conocemos están completas o si hay un universo de misterios esperando ser descubierto.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Transiciones $b \to s\ell^+\ell^-$ y $b \to s\nu\bar{\nu}$ en Belle y Belle II

Autor principal: Meihong Liu (en representación de las colaboraciones Belle y Belle II).

1. El Problema (Contexto Científico)

El estudio se centra en las transiciones de quarks $b \to s$, las cuales están mediadas por corrientes neutras con cambio de sabor (FCNC). En el Modelo Estándar (SM), estos procesos no ocurren a nivel de árbol, sino únicamente a través de diagramas de bucle (como los de tipo "penguin" electromagnético), lo que resulta en tasas de ramificación (branching fractions) extremadamente pequeñas, del orden de $10^{-7}$ a $10^{-5}$.

Debido a esta supresión, estos canales son sondas extremadamente sensibles para detectar Nueva Física (NP). Cualquier desviación en las tasas observadas respecto a las predicciones del SM podría indicar la existencia de nuevas partículas o interacciones, como leptoquarks o el Higgs cargado, que podrían alterar estos procesos mediante interacciones a nivel de árbol o reduciendo la supresión GIM en los bucles.

2. Metodología Experimental

El estudio utiliza datos de colisiones $e^+e^- \to B\bar{B}$ en la resonancia $\Upsilon(4S)$ obtenidos en los experimentos Belle (KEKB) y Belle II (SuperKEKB), sumando un conjunto de datos de $1.2 \text{ ab}^{-1}$. La ventaja de estos experimentos es el entorno limpio y la cinemática bien definida, lo que permite estudiar canales con energía faltante (neutrinos).

Para reconstruir los eventos, se emplean dos métodos de "etiquetado" (tagging) del mesón $B$ acompañante ($B_{tag}$):

• Etiquetado Inclusivo: Utiliza aprendizaje automático para identificar el $B$ acompañante de forma general. Es eficiente pero tiene un alto fondo y depende mucho de la simulación.
• Etiquetado Exclusivo: Utiliza el algoritmo Full Event Interpretation (FEI) para reconstruir el $B_{tag}$ mediante modos de desintegración específicos:
  • Hadronico: Reconstrucción completa de modos hadrónicos. Ofrece alta pureza y restricciones cinemáticas estrictas, pero tiene una eficiencia baja ($<1\%$).
  • Semileptónico: Reconstrucción de modos $B \to D^{(*)}\ell\nu$. Tiene mayor eficiencia debido a las altas tasas de desintegración semileptónica, pero menor pureza debido al neutrino no detectado.

3. Contribuciones Clave y Resultados

El informe se divide en dos grandes áreas de investigación:

A. Transiciones con leptones tau ($b \to s\tau^+\tau^-$):
Se busca la sensibilidad a la tercera generación de leptones, donde la Nueva Física podría ser más prominente.

• $B^0 \to K^{*0}\tau^+\tau^-$: Utilizando etiquetado hadrónico en Belle II, se estableció un límite superior de $\mathcal{B} < 1.8 \times 10^{-3}$ (90% CL), mejorando el límite de Belle por un factor de dos con la mitad de los datos.
• $B^0 \to K^0_S\tau^+\tau^-$: Se presenta la primera búsqueda de este canal combinando Belle y Belle II, estableciendo un límite de $\mathcal{B} < 8.4 \times 10^{-4}$ (90% CL).
• $B^+ \to K^+\tau^+\tau^-$: Mediante una estrategia basada en cortes (cut-based) para suprimir el fondo $B \to D\ell\nu$, se obtuvo el límite más estricto hasta la fecha: $\mathcal{B} < 5.6 \times 10^{-4}$ (90% CL).

B. Transiciones con neutrinos ($b \to s\nu\bar{\nu}$):

• Reinterpretación de $B^+ \to K^+\nu\bar{\nu}$: Se realizó un análisis agnóstico al modelo utilizando la Teoría Efectiva Débil (WET). Los resultados sugieren que una contribución vectorial aumentada, junto con una contribución tensorial no nula, describe mejor los datos observados que el SM puro. Se extrajeron los coeficientes de Wilson ($C_V, C_S, C_T$).
• Primera búsqueda inclusiva de $B \to X_s\nu\bar{\nu}$: Utilizando el método de suma de modos exclusivos en Belle II, se estableció por primera vez un límite superior inclusivo de $\mathcal{B} < 3.2 \times 10^{-4}$ (90% CL).

4. Significado y Conclusión

Este trabajo demuestra la capacidad de Belle II para realizar mediciones de precisión competitivas y, en varios casos, líderes a nivel mundial en canales con energía faltante.

La importancia radica en:

1. Establecer nuevos límites: Se han impuesto las restricciones más estrictas hasta la fecha en varios canales de leptones tau y neutrinos.
2. Marco para Nueva Física: La reinterpretación de los coeficientes de Wilson proporciona una base sólida para que la comunidad científica pruebe modelos de física más allá del Modelo Estándar.
3. Hito experimental: La primera búsqueda de la desintegración inclusiva $B \to X_s\nu\bar{\nu}$ abre una nueva vía de estudio para la física de sabor en experimentos de colisión de electrones y positrones.