⚛️ high-energy experiments

Recent CLFV searches at Belle and Belle II

Este artículo revisa los últimos resultados de los experimentos Belle y Belle II en la búsqueda de la violación del sabor leptónico cargado (CLFV) en decaimientos del leptón $\tau$ , del mesón $B$ y del bottomonium, los cuales son predichos por diversos modelos de nueva física para ocurrir a tasas accesibles para los experimentos actuales a pesar de ser inobservablemente raros en la extensión mínima del Modelo Estándar con neutrinos masivos.

Autores originales: Vindhyawasini Prasad (On behalf of the Belle II Collaboration)

Publicado 2026-09-29

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CC BY 4.0

Autores originales: Vindhyawasini Prasad (On behalf of the Belle II Collaboration)

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En el universo de las partículas subatómicas, existe un conjunto de reglas conocido como el Modelo Estándar que dicta cómo se comporta la materia. Una de estas reglas es una estricta conservación del "sabor", una propiedad que distingue diferentes tipos de partículas llamadas leptones, tales como los electrones y los muones. En la versión estándar de esta teoría, no se permite que estas partículas cambien su identidad; un electrón no puede simplemente convertirse en un muón, ni un muón puede desaparecer y reaparecer como un electrón. Esta regla se mantiene porque la teoría originalmente asumía que los primos de estas partículas, los neutrinos, no tenían masa. Sin embargo, los científicos han descubierto desde entonces que los neutrinos sí tienen masa, lo que significa que el universo no es tan rígido como se pensaba anteriormente. Aunque este descubrimiento permite cambios de sabor diminutos, casi imposibles de detectar, bajo condiciones específicas, el Modelo Estándar predice que tales cambios deberían ser tan raros que nunca serían vistos en una vida humana. Si los investigadores pudieran encontrar una partícula cambiando su sabor a una tasa que realmente pudiéramos medir, sería una señal clara de que las reglas actuales están incompletas y de que una nueva física, no descubierta, está en juego.

Esta es la pregunta precisa que un equipo de físicos de las colaboraciones Belle y Belle II se propuso responder. Operando un colisionador de partículas masivo en Japón, han estado chocando electrones y positrones para crear un flujo de partículas pesadas, incluyendo leptones tau, mesones B y estados de bottomonium. Estas colisiones actúan como una fábrica de alta velocidad, produciendo miles de millones de estas partículas para que los científicos puedan observar cómo decaen y buscar los cambios de sabor prohibidos. Los investigadores analizaron una vasta colección de datos, que representa las muestras más grandes de su tipo jamás reunidas, para cazar señales de que un leptón tau o un mesón B se hubiera transformado espontáneamente en un tipo diferente de leptón. Buscaron patrones de decaimiento específicos, como un tau convirtiéndose en un muón y un destello de luz, o un mesón B dividiéndose en un kaón y dos tipos diferentes de leptones. También buscaron posibilidades más exóticas, como un tau decayendo en un leptón y una misteriosa partícula invisible, o partículas de bottomonium rompiéndose en pares desparejados de electrones y muones.

Tras filtrar los datos con sofisticados algoritmos computacionales diseñados para separar la señal rara del abrumador ruido de fondo, los investigadores no encontraron nada. En cada canal que examinaron, el número de eventos observados coincidió exactamente con lo que se esperaría de la física conocida, sin que aparecieran señales adicionales que sugirieran nuevas fuerzas o partículas. Por ejemplo, cuando buscaron un leptón tau convirtiéndose en un muón y un fotón, observaron diecinueve eventos, lo cual era consistente con los dieciséis eventos predichos por los procesos de fondo. Del mismo modo, las búsquedas de taus decayendo en tres partículas cargadas, o de mesones B convirtiéndose en un par kaón y tau-muón, no arrojaron evidencia de las transformaciones prohibidas. El equipo calculó la tasa máxima posible a la que estos eventos podrían ocurrir sin ser detectados, estableciendo los límites más estrictos hasta la fecha sobre la frecuencia con la que estos cambios de sabor podrían ocurrir. Estos límites son increíblemente pequeños, descartando efectivamente muchas teorías populares que predecían que estos decaimientos ocurrirían con la frecuencia suficiente para ser vistos.

El estudio también extendió su búsqueda a la familia de partículas del bottomonium, que son estados ligados de un quark bottom y su antipartícula. Al examinar cómo decaen estas partículas, el equipo buscó señales de nuevas interacciones que pudieran causar que un estado de bottomonium se dividiera en un electrón y un muón, o un electrón y un tau. Analizaron la masa de retroceso de las partículas producidas en estos decaimientos para ver si una nueva partícula se escondía en los datos. Una vez más, los resultados fueron nulos. Los datos no mostraron desviaciones del Modelo Estándar, lo que significa que, si la nueva física existe en forma de estas interacciones específicas de cambio de sabor, está ocurriendo a una tasa mucho menor de la que los experimentos actuales pueden detectar. Los investigadores también utilizaron estos resultados nulos para restringir los parámetros matemáticos que describen la potencial nueva física, estrechando la ventana de posibilidades para futuras teorías.

La importancia de este trabajo no reside en lo que se encontró, sino en lo que se descartó. Al empujar los límites de la sensibilidad con un conjunto de datos tan grande, las colaboraciones Belle y Belle II han demostrado que el universo es aún más obediente a las reglas del Modelo Estándar de lo que se sospechaba anteriormente. Si bien el descubrimiento de la masa del neutrino demostró que el sabor leptónico no se conserva perfectamente, estos resultados muestran que la violación no está ocurriendo de las formas predichas por muchas teorías nuevas. La ausencia de una señal es un resultado poderoso; le dice a los teóricos que deben buscar en otro lugar para el próximo gran avance en la comprensión de las leyes fundamentales de la naturaleza. A medida que el experimento Belle II continúe recolectando más datos, la búsqueda será aún más precisa, pero por ahora, el silencio de los detectores permanece como un testimonio de la robustez de nuestra comprensión actual del mundo subatómico.

Resumen Técnico: Búsquedas Recientes de CLFV en Belle y Belle II

Problema y Motivación
En el Modelo Estándar (ME), la violación del sabor de leptones cargados (CLFV) está estrictamente prohibida debido a los neutrinos sin masa y la ausencia de neutrinos de mano derecha. Si bien las oscilaciones de neutrinos confirman que los neutrinos tienen masa y que el sabor leptónico no se conserva en el sector neutro, las extensiones mínimas del ME que incorporan neutrinos de mano derecha predicen procesos de CLFV (por ejemplo, $\mu \to e\gamma$ ) con fracciones de ramificación tan bajas como $10^{-54}$ a través del mecanismo de Glashow-Iliopoulos-Maiani (GIM). Estas tasas están muy por debajo del alcance experimental. Por el contrario, varios marcos de más allá del Modelo Estándar (BSM)—incluyendo la supersimetría, modelos de leptoquarks y escenarios de neutrinos pesados—predicen fracciones de ramificación de CLFV en el rango de $10^{-10}$ a $10^{-7}$ . La observación de CLFV en tasas experimentalmente accesibles constituiría, por lo tanto, evidencia inequívoca de nueva física (NP).

Metodología y Conjuntos de Datos
Esta revisión resume las búsquedas recientes de CLFV realizadas por las colaboraciones Belle y Belle II en el colisionador de energía asimétrica de electrones-positrones $e^+e^-$ SuperKEKB, operando cerca de la resonancia $\Upsilon(4S)$ . El análisis utiliza los mayores conjuntos de datos del mundo recolectados por estos experimentos:

Belle: Aproximadamente $1 \text{ ab}^{-1}$ recolectados entre 1999 y 2010.
Belle II: Más de $900 \text{ fb}^{-1}$ acumulados hasta la fecha.

Las estrategias de búsqueda difieren según la partícula madre:

Decaimientos del Leptón $\tau$ : En el $\Upsilon(4S)$ , los pares $e^+e^- \to \tau^+\tau^-$ se producen con momentos opuestos. Los eventos se marcan utilizando el $\tau$ del "lado de la etiqueta" (reconstruido mediante decaimientos hadrónicos de 1-prong o 3-prong) para inferir la cinemática del $\tau$ del "lado de la señal". La identificación de la señal se basa en variables como la masa constreñida por el haz ( $M_{BC}$ ) y la diferencia de energía ( $\Delta E$ ). Se emplean técnicas multivariantes avanzadas, específicamente Árboles de Decisión Potenciados (BDT), para suprimir los fondos (dominadamente provenientes de decaimientos estándar $\tau \to \ell\nu\bar{\nu}$ ) y mejorar la eficiencia de la señal.
Decaimientos del Mesón $B$ : Los pares $B\bar{B}$ se producen en el $\Upsilon(4S)$ . Un mesón $B$ ( $B_{tag}$ ) se reconstruye utilizando modos hadrónicos, semileptónicos o inclusivos. Se utiliza el algoritmo de Interpretación de Evento Completo (FEI), un enfoque multivariante, para lograr una alta eficiencia de etiquetado. El resto de las trazas se utilizan para reconstruir el decaimiento del lado de la señal.
Decaimientos de Bottomonium: Las búsquedas involucran estados $\Upsilon(2S)$ y $\Upsilon(1S)$ . Para los estudios de $\Upsilon(1S)$ , la muestra se selecciona marcando el par $\pi^+\pi^-$ de la transición $\Upsilon(2S) \to \pi^+\pi^-\Upsilon(1S)$ . Los modos de control (por ejemplo, $\chi_{bJ} \to \gamma \Upsilon(1S) \to \gamma \ell^+\ell^-$ ) se utilizan para validar los procedimientos de análisis y estimar las incertidumbres sistemáticas.

Resultados Clave
No se observaron señales estadísticamente significativas en ninguno de los canales de CLFV buscados. En consecuencia, las colaboraciones establecieron nuevos o mejorados límites superiores al nivel de confianza (CL) del 90% para las fracciones de ramificación:

Decaimientos del Leptón $\tau$ :
- ALP Invisible ( $\tau \to \ell \alpha$ ): Límites actualizados utilizando $800 \text{ fb}^{-1}$ de datos de Belle para masas de ALP $0 < m_\alpha < 1.6 \text{ GeV}/c^2$ .
- $\tau \to \mu\gamma$ : Utilizando $428 \text{ fb}^{-1}$ de datos de Belle II y un clasificador BDT, el límite observado es $B(\tau \to \mu\gamma) < 9.5 \times 10^{-8}$ .
- $\tau \to \ell \ell' \ell''$ : Límites establecidos para varios modos de tres cuerpos (por ejemplo, $\tau \to e^-e^+e^-$ , $\tau \to e^-e^+\mu^-$ ) utilizando $428 \text{ fb}^{-1}$ de datos de Belle II. Los límites son los más estrictos hasta la fecha para la mayoría de los modos.
- $\tau \to \ell \eta$ : Límites actualizados utilizando $427.9 \text{ fb}^{-1}$ de datos de Belle, estableciendo $B(\tau \to \mu\eta) < 4.23 \times 10^{-8}$ , el límite más estricto para este canal hasta la fecha.
Decaimientos del Mesón $B$ :
- $B^0 \to K^0_S \tau^\pm \ell^\mp$ : Utilizando datos combinados de Belle ( $711 \text{ fb}^{-1}$ ) y Belle II ( $365 \text{ fb}^{-1}$ ), se establecieron los primeros límites experimentales para estos modos (por ejemplo, $B(B^0 \to K^0_S \tau^+ \mu^-) < 1.1 \times 10^{-5}$ ).
- $B^0 \to K^{*0} \tau^\pm \ell^\mp$ : Datos combinados similares arrojaron los límites más estrictos hasta la fecha para los modos de electrones (por ejemplo, $B(B^0 \to K^{*0} \tau^+ e^-) < 2.9 \times 10^{-5}$ ).
Decaimientos de Bottomonium:
- Decaimientos de $\chi_{bJ}(1P)$ : Primeras búsquedas de decaimientos CLFV de $\chi_{b0,1,2}(1P)$ utilizando $158 \times 10^6$ eventos de $\Upsilon(2S)$ . No se encontraron señales para $\chi_{bJ} \to \ell\ell'$ o $\chi_{bJ} \to \ell\tau$ .
- Decaimientos de $\Upsilon$ : Se reportaron los primeros límites experimentales para decaimientos de dos cuerpos $\Upsilon(1S) \to \ell\ell'$ y decaimientos de tres cuerpos $\Upsilon(1S) \to \gamma \ell\ell'$ .

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que los grandes conjuntos de datos recolectados por Belle y Belle II han sido utilizados efectivamente para explorar la posibilidad de CLFV en decaimientos de $\tau$ , $B$ y bottomonium. La principal significancia de estos resultados radica en el establecimiento de los límites superiores más estrictos hasta la fecha para numerosos modos de decaimiento, particularmente para $\tau \to \mu\eta$ , $B^0 \to K^0_S \tau \ell$ , y las búsquedas por primera vez de decaimientos CLFV de $\chi_{bJ}$ . Estos resultados nulos restringen los coeficientes de Wilson de los operadores efectivos (dipolo, cuatro fermiones e interacciones gluónicas) y restringen el espacio de parámetros de varios modelos de Nueva Física. El autor señala que, si bien no se encontró evidencia de CLFV, la sensibilidad de los experimentos actuales se está acercando a las predicciones de escenarios favorables de NP, y se esperan más resultados de los datos acumulados de Belle II.

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