Review of flavour physics at ATLAS and CMS

Este artículo presenta una revisión exhaustiva de los resultados recientes de física de sabores obtenidos en los experimentos ATLAS y CMS utilizando datos de la LHC de la segunda y parcial de la tercera carrera, abarcando mediciones de cuarkonium, producción de encanto, propiedades de mesones B, tetraquarks de todo encanto y desintegraciones raras de sabor pesado para avanzar en la frontera de precisión del campo.

Lo esencial

Imagina el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) como una pista de carreras masiva y de alta velocidad para partículas, donde diminutas partículas subatómicas chocan entre sí a casi la velocidad de la luz. Los experimentos ATLAS y CMS son como dos cámaras gigantes y ultra sensibles posicionadas alrededor de esta pista, capturando miles de millones de fotografías para observar qué sucede cuando estas partículas colisionan.

Este artículo es una "revisión del álbum de fotos" de estas dos cámaras, centrándose específicamente en un grupo especial de partículas llamadas partículas de sabor pesado. Piensa en ellas como los "pesados" del mundo de las partículas: partículas formadas por quarks pesados (como el quark bottom y el quark charm) que son mucho más pesadas que las que componen los átomos de tu cuerpo.

Aquí tienes un desglose de lo que los científicos encontraron, explicado de forma sencilla:

1. Pesar a los Pesados (Secciones Eficaces de Producción)

Los científicos querían saber con qué frecuencia se crean estas partículas pesadas y cómo se comportan.

• La Familia "Bottomonium": Observaron una familia de partículas llamadas $\Upsilon$ (Upsilon), que son como pares pesados y unidos de quarks bottom. Por primera vez, midieron con qué frecuencia aparecen a un nivel de energía récord (13,6 TeV). Es como verificar cuántos camiones pesados se producen en una línea de montaje cuando se pone la máquina a máxima potencia. Encontraron que los números coincidían muy bien con los "planos" predichos por la física cuántica (QCD).
• Los Mensajeros "Charm": También rastrearon partículas que contienen quarks "charm". midieron cómo estas partículas se distribuyen a través del detector (como la lluvia cayendo en diferentes ángulos). Los resultados coincidieron con los modelos teóricos, confirmando nuestra comprensión de cómo se forman estas partículas.

2. Cronometrar los Relojes que Tictac (Vidas Medias y Masas)

• El Cronómetro $B^0$: Una partícula específica, el mesón $B^0$, se sabe que vive durante una fracción diminuta de segundo antes de desintegrarse. El experimento ATLAS midió esta "vida útil" con una precisión increíble, más precisa que cualquier medición anterior. Es como cronometrar a un velocista con tanta precisión que puedes ver la diferencia en su zancada hasta el milímetro.
• Estado "Excitado" vs. "Fundamental": También observaron versiones "excitadas" de los mesones B (partículas que vibran con energía extra) y midieron la diminuta diferencia de masa entre estos estados excitados y sus estados "fundamentales" tranquilos. Esto es como medir la diminuta diferencia de peso entre una cuerda de guitarra tranquila y una que está vibrando fuerte.

3. Cazar Clusters Exóticos de "Cuatro Quarks"

Durante mucho tiempo, pensamos que las partículas estaban formadas o bien por dos quarks (como un par) o por tres quarks (como un trío). Pero recientemente, los físicos comenzaron a buscar "tetraquarks": partículas formadas por cuatro quarks pegados entre sí.

• El Misterio "Todo Charm": Los científicos buscaron un tipo específico de tetraquark formado enteramente por cuatro quarks charm. Los buscaron observando cómo se desintegran en pares de partículas "J/$\psi$".
• Los Hallazgos: Encontraron evidencia sólida de tres nuevas "resonancias" (agrupaciones de partículas) en niveles de energía específicos (6,6, 6,9 y 7,1 GeV). Es como escuchar un acorde específico tocado en un piano y darte cuenta de que se están tocando tres notas nuevas, previamente desconocidas. Los datos sugieren que estas son, de hecho, agrupaciones de cuatro quarks, una forma rara y exótica de materia.

4. Buscando Desintegraciones "Fantasmales" (Eventos Raros)

La sección final del artículo trata sobre buscar eventos "prohibidos" o extremadamente raros que no deberían ocurrir según nuestras reglas actuales (el Modelo Estándar). Encontrarlos sería como ver un fantasma: significaría que las reglas de la física necesitan ser reescritas.

• Violación de Sabor Leptónico: Buscaron que una partícula tau se transformara en tres muones ($\tau \to 3\mu$). Esto es como ver a un gato transformarse repentinamente en tres ratones. No encontraron ninguno, lo cual es una buena noticia para las reglas actuales, pero establecieron límites estrictos sobre la frecuencia con la que esto podría ocurrir.
• La Búsqueda de "Cuatro Muones": También buscaron mesones B desintegrándose en cuatro muones. Mejoraron la sensibilidad de esta búsqueda, haciendo más difícil que estos eventos raros se oculten.
• La Tensión $B_s \to \phi \mu\mu$: Estudiaron una desintegración específica donde un mesón B se convierte en una partícula phi y dos muones. Aunque los resultados coinciden mayormente con la teoría, hay una pequeña "tensión" (una ligera discrepancia) de hasta 4,2 desviaciones estándar. Piensa en esto como un ligero bamboleo en los datos que podría insinuar nueva física, pero no es lo suficientemente fuerte todavía para declarar un descubrimiento.

La Conclusión

Los experimentos ATLAS y CMS están demostrando que no solo son excelentes encontrando el bosón de Higgs; también se están convirtiendo en detectives de clase mundial para la física de sabor pesado. Al utilizar sus detectores masivos y sus disparadores inteligentes (que actúan como filtros inteligentes para capturar eventos raros), están midiendo las propiedades de las partículas con una precisión récord y cazando lo exótico y lo raro.

Aunque aún no han encontrado una "pistola humeante" para la nueva física, han apretado los tornillos de nuestras teorías actuales, haciendo que la búsqueda de lo que hay más allá sea aún más emocionante.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Revisión de la Física de Sabores en ATLAS y CMS

Problema y Contexto
La física de sabores constituye un dominio crítico para poner a prueba el Modelo Estándar (ME) con alta precisión y explorar posibles nuevas físicas. Aunque los experimentos dedicados a sabores han dominado históricamente este campo, los detectores de propósito general ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se han consolidado como instalaciones competitivas. Aprovechando su cobertura casi completa en ángulo sólido, su excelente rendimiento en reconstrucción de vértices y sus capacidades superiores de reconstrucción de muones, estos experimentos complementan los esfuerzos dedicados. Este artículo revisa los resultados recientes en física de sabores obtenidos por ATLAS y CMS utilizando datos de colisiones protón-protón del Run 2 y del Run 3 parcial del LHC. Los análisis se dirigen específicamente a desintegraciones de sabor pesado, utilizando disparadores que requieren al menos dos muones en el evento para mejorar la aceptación de procesos de baja energía.

Metodología
La revisión abarca un conjunto diverso de análisis que emplean mediciones diferenciales, determinaciones de vidas medias y búsquedas de resonancias:

• Mediciones de Sección Eficaz: CMS midió las secciones eficaces de producción de los estados $\Upsilon(nS)$ ($n=1,2,3$) a una energía en el centro de masa de 13.6 TeV utilizando 37.4 fb$^{-1}$ de datos del Run 3. Estas mediciones son diferenciales en el momento transversal ($p_T$) hasta 200 GeV. ATLAS midió las secciones eficaces de los mesones $D^\pm$ y $D^\pm_s$ utilizando 137 fb$^{-1}$ de datos del Run 2, extendiendo el alcance en $p_T$ hasta 100 GeV mediante el canal de desintegración $D \to \phi(\mu^+\mu^-)\pi^\pm$.
• Vida Media y Diferencia de Masas: ATLAS determinó la vida media del mesón $B^0$ ($\tau(B^0)$) utilizando 140 fb$^{-1}$ de datos del Run 2. CMS realizó la primera reconstrucción exclusiva de mesones $B^*$ excitados ($B^{*+}, B^{*0}, B^{*0}_s$) utilizando 140 fb$^{-1}$ de datos del Run 2, reconstruyendo fotones mediante conversión ($\gamma \to e^+e^-$) para medir las diferencias de masa hiperfina.
• Búsquedas de Estados Exóticos: Ambas colaboraciones buscaron tetraquarks de doble encanto en los espectros de masa de doble charmonio ($J/\psi J/\psi$ y $J/\psi \psi(2S)$). CMS utilizó datos combinados del Run 2 (135 fb$^{-1}$) y del Run 3 (180 fb$^{-1}$), mientras que ATLAS empleó 140 fb$^{-1}$ de datos del Run 2, incorporando por primera vez en este canal el modo de desintegración $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$.
• Estudios de Desintegraciones Raras: Ambos experimentos realizaron búsquedas de desintegraciones que violan el sabor leptónico ($\tau \to 3\mu$). CMS también informó sobre la primera observación de $\eta \to \mu^+\mu^-e^+e^-$ y búsquedas de $B^0_s(B^0) \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$. Además, CMS realizó una medición diferencial de la desintegración rara $B^0_s \to \phi \mu^+\mu^-$ utilizando 138 fb$^{-1}$ de datos del Run 2, normalizando frente a $B^0_s \to \phi J/\psi(\mu^+\mu^-)$.

Contribuciones y Resultados Clave

• Producción de Sabor Pesado: Las secciones eficaces diferenciales para la producción de $\Upsilon(nS)$ a 13.6 TeV concuerdan bien con las predicciones teóricas de Cromodinámica Cuántica No Relativista (NRQCD). De manera similar, las mediciones de ATLAS de las secciones eficaces de $D^\pm_s$ hasta $p_T = 100$ GeV son consistentes con las predicciones del esquema de número de sabores variable de masa general (GM-VFNS).
• Parámetros de Precisión: La medición de ATLAS de la vida media del $B^0$ arroja $\tau(B^0) = 1.5053 \pm 0.0012 \text{ (est)} \pm 0.0035 \text{ (sist)}$ ps, representando la medición más precisa hasta la fecha. Las mediciones de CMS de las diferencias hiperfinas ($m(B^*) - m(B)$) alcanzaron una precisión una orden de magnitud mejor que los resultados anteriores.
• Tetraquarks de Doble Encanto: CMS observó tres resonancias en el espectro $J/\psi J/\psi$ —$X(6600)$, $X(6900)$ y $X(7100)$— con significancias superiores a $5\sigma$. La $X(6900)$ también fue observada en el espectro $J/\psi \psi(2S)$. Los análisis angulares sugieren que estos estados son compatibles con tetraquarks de doble encanto que tienen $J^{PC} = 2^{++}$. ATLAS confirmó la resonancia $X(6900)$ pero no reportó ninguna estructura significativa a 7.1 GeV.
• Desintegraciones Raras: No se encontró ningún exceso significativo en las búsquedas de $\tau \to 3\mu$, lo que condujo a límites superiores al nivel de confianza del 90% sobre la fracción de ramificación de $B(\tau \to 3\mu) < 8.7 \times 10^{-8}$ (ATLAS) y $6.7 \times 10^{-8}$ (CMS). CMS observó la desintegración $\eta \to \mu^+\mu^-e^+e^-$ y mejoró los límites sobre $B^0_s(B^0) \to \mu^+\mu^-\mu^+\mu^-$ en aproximadamente un 30%.
• Análisis de $B^0_s \to \phi \mu^+\mu^-$: La sección eficaz diferencial para esta desintegración, medida en intervalos de $q^2$, concuerda bien con las mediciones recientes de LHCb. Sin embargo, las comparaciones con diversas predicciones teóricas revelan tensiones de hasta $4.2\sigma$. Se encontró que la fracción de polarización longitudinal ($F_L$) del mesón $\phi$ está en buen acuerdo con las expectativas teóricas.

Significado
El artículo afirma que ATLAS y CMS se han establecido con éxito como instalaciones competitivas para la física de sabor pesado, proporcionando mediciones que complementan a las de los experimentos dedicados a sabores. Los resultados demuestran la capacidad de estos detectores de propósito general para impulsar la frontera de precisión en la física de sabores mediante estrategias avanzadas de disparo y técnicas de reconstrucción. Las observaciones de tetraquarks de doble encanto y las mediciones precisas de las propiedades del sabor pesado contribuyen significativamente a la caracterización de la dinámica de la QCD y a la búsqueda de física más allá del Modelo Estándar. Se espera que el análisis continuo de los datos del Run 3 mejore aún más el programa de física de sabores de ambas colaboraciones.