Revisiting two-body charmed anti-charmed baryonic $B$ decays

En el mundo subatómico, la materia está construida a partir de un puñado de partículas fundamentales que se combinan de formas específicas para formar los protones y neutrones dentro de los átomos. Entre estos bloques de construcción se encuentran los quarks, que vienen en diferentes "sabores", incluyendo el pesado quark charm. Cuando un mesón B, una partícula pesada, decae, a menudo se descompone en otras partículas, creando a veces un par de bariones con charm: partículas hechas de tres quarks, uno de los cuales es un quark charm. Los científicos han estudiado estos decaimientos durante mucho tiempo para comprender las fuerzas fundamentales que gobiernan cómo se transforma la materia. Durante décadas, la visión predominante fue que un tipo específico de transformación, donde un quark bottom se convierte en un quark charm y un antiquark charm, era el motor dominante de estos eventos. Este proceso se comprende bien y ha sido el foco de muchos modelos teóricos. Sin embargo, existe otra vía, menos obvia, donde el quark bottom se transforma en un quark up y un antiquark up. Debido a la forma en que funcionan las reglas de mezcla fundamentales del universo, se pensaba que esta segunda vía era tan rara en ciertos tipos de decaimientos que podía ignorarse de forma segura.

Un estudio reciente del físico Chun-Khiang Chua revisita esta suposición, preguntándose si esa vía ignorada podría en realidad desempeñar un papel mucho más importante de lo que se pensaba anteriormente, particularmente en una clase específica de decaimientos donde el número total de partículas extrañas permanece sin cambios. El investigador utilizó un método llamado análisis de amplitud topológica, que es esencialmente una forma de mapear todas las posibles maneras en que estas partículas pueden reorganizarse durante un decaimiento, para incluir esta contribución previamente pasada por alto. Al actualizar el marco matemático para dar cuenta tanto del camino dominante que produce charm como del camino suprimido de quarks up, el estudio revela que, si bien la contribución del quark up sigue siendo diminuta en los decaimientos que implican un cambio en la extrañeza, su influencia se amplifica drásticamente en los decaimientos donde la extrañeza no cambia. En estos casos específicos, la importancia relativa del camino del quark up se potencia por un factor de aproximadamente veinte en comparación con el otro tipo de decaimiento. Esta amplificación significa que la contribución del quark up ya no es despreciable; de hecho, los datos experimentales actuales favorecen ligeramente la idea de que esta contribución está presente y es significativa.

El estudio encuentra que, cuando se incluye esta contribución del quark up, las tasas predichas para varios procesos de decaimiento específicos cambian notablemente. Por ejemplo, el modelo sugiere que el decaimiento de un mesón B con carga negativa en un barión cascada charmed neutro y un barión cascada anti-charmed podría ocurrir con mucha más frecuencia de lo que predecirían los modelos que ignoran la vía del quark up. Del mismo modo, las tasas para un mesón B neutro decayendo en un barión lambda charmed y un barión cascada anti-charmed, y para un mesón B neutro decayendo en un barión cascada charmed y un barión cascada anti-charmed, también son predichas como significativamente más altas. Estas tres reacciones específicas son únicas porque no están sujetas a las mismas cancelaciones internas que suprimen otros modos de decaimiento, lo que las convierte en lugares ideales para buscar el efecto del quark up. Los datos actualmente disponibles para otros modos de decaimiento, como el decaimiento de un mesón B en un lambda charmed y un lambda anti-charmed, siguen siendo consistentes con el nuevo modelo, pero el pequeño tamaño de esa tasa no descarta la presencia de la contribución del quark up; más bien, sugiere que diferentes partes del proceso se están cancelando entre sí.

Las implicaciones de estos hallazgos son que la comunidad científica no debe descartar la contribución del quark up como un detalle menor. Si bien no altera los resultados para los decaimientos donde el número de partículas extrañas cambia, ofrece una explicación convincente de por qué ciertos otros decaimientos podrían ser más comunes de lo esperado. El estudio no pretende haber demostrado definitivamente que estas contribuciones sean grandes, pero demuestra que los datos experimentales actuales permiten que estén presentes e incluso prefieren ligeramente un escenario donde lo están. Esto abre una nueva vía para que los experimentalistas en instalaciones como el Gran Colisionador de Hadrones y Belle II busquen estos patrones de decaimiento específicos. Al medir las tasas de estos tres decaimientos destacados, los científicos pueden determinar si la vía del quark up es, de hecho, un actor principal en el mundo de los bariones con charm. Si las mediciones futuras confirman estas tasas más altas, proporcionará una imagen más clara de la compleja interacción de fuerzas que gobiernan el decaimiento de las partículas, refinando nuestra comprensión de las reglas fundamentales que dan forma al universo.