Flavour changing charged current decays at LHCb

Este artículo presenta tres resultados recientes de LHCb sobre desintegraciones de corriente cargada con cambio de sabor: la primera medición de la relación de fracción de ramificación $\mathcal{R}(D^{**})$ utilizando $B^{-} \to D^{**0} \tau^{-} \bar{\nu}_{\tau}$, la determinación de la fracción de ramificación para $\Lambda \to p \mu^{-} \bar{\nu}_{\mu}$ y la extracción de parámetros de factores de forma a partir de desintegraciones $B^0 \to D^{*-} \mu^{+} \nu_{\mu}$.

Lo esencial

Imagina que el universo se construye sobre un conjunto de reglas estrictas, como un gran libro de recetas cósmico llamado Modelo Estándar. Una de las reglas más importantes en este libro es la Universalidad del Sabor Leptónico. Piensa en esta regla como un portero estricto en un club que trata a cada invitado exactamente igual, independientemente de su nombre. En física, los "invitados" son partículas llamadas leptones (específicamente electrones, muones y partículas tau). La regla dice: "Si eres un muón o un tau, interactúas con las partículas que transportan la fuerza (los 'bosones gauge') exactamente igual que lo hace un electrón, excepto por el hecho de que podrías ser más pesado".

Si el portero empieza a tratar a un invitado pesado de manera diferente a uno ligero, eso es una gran pista de que existe un libro de reglas secreto y oculto (Nueva Física) que aún no hemos descubierto.

El experimento LHCb en el CERN es como un equipo de cámaras de alta velocidad que intenta atrapar a estas partículas in fraganti violando las reglas. Se centran en partículas pesadas que contienen un quark "bottom" (hadrones b) a medida que decaen, o se desintegran. Aquí tienes un desglose de las tres historias principales que cuenta este artículo, usando analogías simples:

1. La verificación de los "Pesados": $R(D^{**})$

El Escenario:
Por lo general, cuando los científicos miden con qué frecuencia una partícula bottom se convierte en una partícula tau en comparación con un muón (para verificar si el portero es justo), observan resultados específicos y bien conocidos. Sin embargo, a veces la partícula bottom decae en un estado intermedio "desordenado" que involucra versiones excitadas de otras partículas (llamadas resonancias $D^{**}$). Estas son como el "ruido de fondo" o la "multitud" que normalmente estorba la medición principal.

El Descubrimiento:
En lugar de ignorar este ruido, el equipo de LHCb decidió medirlo directamente por primera vez. Observaron un decaimiento específico donde una partícula bottom se convierte en una partícula excitada ($D^{**}$) y un tau.

• La Analogía: Imagina intentar contar cuántas personas entran en una sala VIP, pero hay un pasillo lateral donde la gente también se está arreglando. Por lo general, ignoras el pasillo lateral. Aquí, el equipo entró en el pasillo lateral, contó a la gente y encontró 123 eventos específicos.
• El Resultado: Descubrieron que este decaimiento del "pasillo lateral" ocurre aproximadamente un 13% tan a menudo como la versión con muón del mismo decaimiento. Esto coincide perfectamente con la predicción del Modelo Estándar. Es como confirmar que incluso en el pasillo lateral desordenado y concurrido, el portero sigue tratando a todos con justicia.

2. La prueba "Lambda": $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$

El Escenario:
El equipo también observó un tipo diferente de partícula llamada un barión "Lambda" (un primo pesado del protón). Quisieron ver con qué frecuencia esta partícula decae en un protón y un muón en comparación con la frecuencia con la que decae en un protón y un electrón.

• La Analogía: Piensa en la partícula Lambda como una máquina de fábrica que puede producir dos tipos de productos: "Muones" o "Electrones". El Modelo Estándar predice que la máquina debería producir Muones aproximadamente un 15% tan a menudo como Electrones.
• El Descubrimiento: Utilizando datos de 2016–2018, el equipo contó los productos que salían de la línea de ensamblaje. Descubrieron que la máquina produce Muones a una tasa de aproximadamente el 17,5% en comparación con los Electrones.
• El Resultado: Esta es una medición muy precisa (el doble de precisa que el récord anterior). El resultado es compatible con el Modelo Estándar, lo que significa que la máquina de fábrica está funcionando exactamente como dice el libro de recetas que debería. También ayuda a los científicos a verificar la "unitariedad" de la matriz CKM (una verificación matemática para asegurar que las matemáticas de la mezcla de partículas sumen el 100%).

3. El análisis del "Cambiamorfos": $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$

El Escenario:
En esta tercera historia, el equipo no solo contó con qué frecuencia ocurre un decaimiento; observaron cómo ocurre. Cuando una partícula $B^0$ decae en una partícula $D^*$ y un muón, las partículas salen disparadas en ángulos específicos.

• La Analogía: Imagina lanzar un trompo giratorio. Puedes describir el lanzamiento por qué tan rápido gira, hacia qué lado se inclina y el ángulo del lanzamiento. En física, estos se llaman "ángulos" y "factores de forma" (que describen la forma y la estructura interna de las partículas).
• El Descubrimiento: El equipo utilizó una cantidad masiva de datos (3.0 fb$^{-1}$) para mapear estos ángulos en cinco dimensiones diferentes a la vez. Probaron tres "planos" matemáticos diferentes (llamados BGL, CLN y BLPR) para ver cuál describía mejor la forma del decaimiento.
• El Resultado: Los tres planos coincidieron entre sí y con las simulaciones por computadora más avanzadas (QCD de red). El equipo extrajo los "factores de forma" con precisión mejorada. Esto es como crear un modelo 3D del decaimiento que es más nítido y claro que cualquier modelo hecho antes.

El Panorama General

El artículo concluye que el experimento LHCb está desempeñando un papel crucial en el esfuerzo global por comprender la física de partículas. Al medir estos decaimientos raros y verificar los ángulos y las tasas, están confirmando que el Modelo Estándar se mantiene firme.

• Encontraron la primera evidencia de un decaimiento específico de "pasillo lateral" ($D^{**}$).
• Establecieron un nuevo récord mundial para medir un decaimiento Lambda específico.
• Crearon el mapa más detallado hasta la fecha de cómo una partícula $B^0$ gira y se desintegra.

Hasta ahora, el "portero" sigue tratando a todos con justicia, y las "máquinas de fábrica" están funcionando exactamente como predice el libro de recetas. No se ha encontrado ninguna nueva física en estas mediciones específicas, pero la precisión de estas mediciones es esencial para detectar las pequeñas grietas en el libro de reglas que podrían aparecer en experimentos futuros.

Resumen técnico

Aquí se presenta un resumen técnico detallado del artículo "Desintegraciones de corriente cargada con cambio de sabor en LHCb" de Davide Fazzini (en nombre de la colaboración LHCb).

1. Planteamiento del Problema y Motivación

El Modelo Estándar (ME) predice la Universalidad del Sabor Leptónico (LFU), afirmando que los bosones de gauge electrodébiles se acoplan universalmente a todos los leptones cargados ($e, \mu, \tau$), con diferencias que surgen únicamente de las masas de los leptones. Cualquier desviación de este principio señalaría Nueva Física (NP).

Mediciones recientes realizadas por Belle, BaBar y LHCb han revelado tensiones con las predicciones del ME en:

• Razones de LFU: $R(D)$ y $R(D^*)$ muestran una discrepancia de $\sim 3.8\sigma$ entre las predicciones del ME y los promedios experimentales.
• Elementos de la Matriz CKM: Existen discrepancias de $2\text{--}3\sigma$ entre los valores de $|V_{ub}|$ y $|V_{cb}|$ extraídos de desintegraciones exclusivas frente a inclusivas de hadrones $b$.

Las desintegraciones semileptónicas de hadrones $b$ son ideales para probar estas anomalías debido a sus grandes fracciones de ramificación y a sus elementos de matriz hadrónicos teóricamente limpios (dominados por diagramas de nivel árbol). Este artículo presenta tres análisis específicos que abordan fondos, desintegraciones de hiperones y extracciones de factores de forma para refinar estas pruebas.

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2. Metodología y Contribuciones Clave

El artículo detalla tres análisis distintos realizados utilizando datos de LHCb recopilados entre 2011 y 2018.

A. Medición de la Razón de Fracción de Ramificación $R(D^{**})$

• Contexto: En las mediciones de $R(D^*)$ utilizando desintegraciones hadrónicas de $\tau$, las desintegraciones en resonancias de mesones charm excitados superiores ($D^{**}$) constituyen un fondo significativo ($\sim 3.5\%$).
• Objetivo: Realizar la primera medición de la razón $R(D^{**}_{1,2})$ para restringir este fondo y probar la LFU en el sector $D^{**}$.
• Metodología:
  • Conjunto de datos: $9 \text{ fb}^{-1}$ (2011–2018).
  • Canal de señal: $B^- \to D^{**0} \tau^- \bar{\nu}_\tau$, donde $D^{**0}$ se refiere a la suma de los estados estrechos $D_1(2420)^0$ y $D_2(2460)^0$ (colectivamente $D^{**0}_{1,2}$), y $\tau$ se desintegra hadrónicamente.
  • Normalización: $B^- \to D^{**0}_{1,2} D_s^-$ (razón de ramificación tomada de un análisis de amplitud previo de LHCb).
  • Técnica de análisis: Un ajuste de plantillas tridimensional binned utilizando:
    1. Diferencia de masa $\Delta m = m(D^{**0}) - m(D^{*+})$.
    2. Masa invariante del sistema leptónico $q^2$.
    3. Salida de un Árbol de Decisión Impulsado (BDT) entrenado para rechazar fondos de $D_s$.
• Contribución clave: Primera evidencia para el modo de desintegración $B^- \to D^{**0}_{1,2} \tau^- \bar{\nu}_\tau$.

B. Medición de la Fracción de Ramificación $\mathcal{B}(\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu)$

• Contexto: Las desintegraciones semileptónicas de hiperones (transición $s \to u$) son sensibles a contribuciones de NP escalar y tensorial. También permiten la determinación de $|V_{us}|$ para probar la unitariedad de la CKM.
• Objetivo: Medir la fracción de ramificación de $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$ para mejorar la precisión sobre resultados anteriores y calcular la razón de LFU $R_{\mu/e}$.
• Metodología:
  • Conjunto de datos: $5.4 \text{ fb}^{-1}$ (2016–2018).
  • Normalización: $\Lambda \to p \pi^-$ (fracción de ramificación conocida $\approx 0.641$).
  • Técnica de análisis:
    • Extracción de señal mediante un ajuste de máxima verosimilitud binned en bins de masa corregida $m_{\text{corr}}(p\pi)$ y masa invariante $m(p\pi)$.
    • El ajuste utiliza un esquema de binning en plano 2D para separar la señal del fondo.
• Contribución clave: Una medición de precisión líder mundial de la fracción de ramificación de $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$, mejorando la precisión en un factor de dos en comparación con BESIII.

C. Extracción de Parámetros de Factor de Forma en $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$

• Contexto: La tasa de desintegración diferencial de $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$ depende de los ángulos de desintegración ($\theta_D, \theta_\ell, \chi$) y $q^2$, lo que la hace sensible a la NP.
• Objetivo: Extraer parámetros de factores de forma hadrónicos utilizando un análisis angular multidimensional.
• Metodología:
  • Conjunto de datos: $3.0 \text{ fb}^{-1}$ (2011–2012).
  • Técnica de análisis: Un ajuste binned de cinco dimensiones a:
    1. Tres ángulos de desintegración ($\theta_D, \theta_\ell, \chi$).
    2. Transferencia de momento al cuadrado ($q^2$).
    3. Masa invariante faltante al cuadrado ($m^2_{\text{miss}}$).
  • Modelos: El análisis asume tres parametrizaciones de factores de forma: BGL (Boyd-Grinstein-Lebed), CLN (Caprini-Lellouch-Neubert) y BLPR.
  • Optimización: Se utiliza el Criterio de Información Bayesiano (BIC) para optimizar el orden de truncamiento de la serie de coeficientes BGL.
• Contribución clave: El primer análisis angular de LHCb de este modo, proporcionando parámetros de factores de forma con precisión mejorada y verificando las restricciones de unitariedad.

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3. Resultados

1. Medición de $R(D^{**}_{1,2})$:

   • Rendimiento de señal: $123 \pm 23$ eventos.
   • Significancia: $3.5\sigma$ (Primera evidencia para esta desintegración).
   • Fracción de ramificación visible: $\mathcal{B}(B^- \to D^{**0}_{1,2} \tau^- \bar{\nu}_\tau) \times \mathcal{B}(D^{**0}_{1,2} \to D^{*+}\pi^-) = (5.1 \pm 1.7) \times 10^{-4}$.
   • Razón de LFU: $R(D^{**}_{1,2}) = 0.13 \pm 0.04$.
   • Conclusión: Consistente con la predicción del ME de $0.09 \pm 0.02$.

2. Fracción de Ramificación de $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$:

   • Valor medido: $\mathcal{B}(\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu) = (1.46 \pm 0.10) \times 10^{-4}$ (Incertidumbre total 6.9%).
   • Razón de LFU ($R_{\mu/e}$): Calculada utilizando el valor del modo electrónico de la literatura: $R_{\mu/e} = 0.175 \pm 0.012$.
   • Conclusión: Compatible con la predicción del ME de $0.153 \pm 0.008$.

3. Parámetros de Factor de Forma ($B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$):

   • Los valores de los factores de forma medidos son consistentes entre los modelos BGL, CLN y BLPR.
   • Los resultados coinciden con los cálculos recientes de QCD en red.
   • Los parámetros BGL satisfacen las restricciones de unitariedad, y el análisis logra una precisión mejorada sobre las mediciones anteriores.

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4. Significado

• Control de Fondos: La primera medición de $R(D^{**})$ proporciona restricciones cruciales sobre los fondos para las mediciones de $R(D^*)$, ayudando a clarificar el origen de las anomalías de LFU existentes.
• Física de Hiperones de Precisión: El resultado para $\Lambda \to p \mu^- \bar{\nu}_\mu$ representa la determinación más precisa hasta la fecha, ofreciendo una nueva sonda independiente para $|V_{us}|$ y NP en el sector $s \to u$.
• Validación Teórica: El análisis angular de $B^0 \to D^{*-} \mu^+ \nu_\mu$ valida la consistencia de diferentes parametrizaciones de factores de forma y entradas de QCD en red, reforzando el marco teórico utilizado para interpretar las transiciones $b \to c$.
• Impacto General: Estos resultados confirman el papel central de LHCb en el programa de física de sabores, proporcionando datos complementarios a las fábricas de $B$ (Belle/BaBar) y estrechando las restricciones sobre posibles escenarios de Nueva Física.