Search for rare charm decays at BESIII

El universo está construido sobre un conjunto de reglas que los físicos llaman el Modelo Estándar. Es un mapa exitoso de cómo se comportan la materia y la energía, pero deja algunas de las preguntas más grandes sin respuesta. ¿Por qué hay más materia que antimateria? ¿Qué es la materia oscura que mantiene unidas a las galaxias? Para encontrar las respuestas, los científicos no solo buscan nuevas partículas pesadas; también buscan grietas en el mapa existente. Buscan procesos que son tan raros o tan prohibidos por las reglas actuales que encontrar incluso un solo caso significaría que algo nuevo está sucediendo. Uno de los lugares más prometedores para buscar estas grietas es en el mundo de los quarks encanto (charm quarks). Estos son partículas pesadas e inestables que decaen rápidamente, pero cuando lo hacen, pueden revelar violaciones sutiles de la simetría o cambios inesperados en su identidad. Al estudiar miles de millones de estas desintegraciones, los investigadores pueden probar los límites de nuestra comprensión y ver si el universo se comporta exactamente como predice el Modelo Estándar, o si guarda un secreto que requiere una nueva teoría para ser explicado.

En el corazón de esta búsqueda se encuentra el experimento BESIII, un detector masivo ubicado en Beijing, China. Se encuentra dentro de un anillo de almacenamiento donde haces de electrones y sus contrapartes de antimateria, los positrones, chocan entre sí. Estas colisiones crean un entorno limpio donde nacen nuevas partículas y decaen inmediatamente. Los investigadores han recolectado una cantidad enorme de datos, incluyendo las muestras más grandes del mundo de partículas específicas llamadas charmonium, que son estados ligados de un quark encanto y un antiquark encanto. Con este vasto conjunto de datos, el equipo ha realizado una revisión exhaustiva de varios tipos de desintegraciones raras, buscando señales de física que el Modelo Estándar dice que no debería ocurrir, o que debería ocurrir de forma tan rara que es efectivamente invisible.

La primera área de investigación involucra la desintegración débil del charmonium. En el Modelo Estándar, se espera que estas partículas decaigan a través de las fuerzas fuerte o electromagnética, pero existe una posibilidad diminuta, casi imposible, de que decaigan a través de la fuerza débil, que es la responsable de la radiactividad. Los investigadores buscaron patrones específicos donde una partícula de charmonium se transforma en un par de otras partículas, como un mesón D neutro y un mesón K estrella. Para encontrar estos eventos raros, utilizaron una técnica ingeniosa: reconstruyeron uno de los productos de la desintegración de una manera que filtró el ruido de fondo abrumador de las colisiones ordinarias de partículas. Tras analizar los datos, no encontraron evidencia de estas desintegraciones débiles. En su lugar, establecieron un nuevo límite mucho más estricto sobre qué tan seguido estos eventos podrían ocurrir, empujando el límite de lo permitido hacia un nivel de uno en diez millones. Este resultado no prueba que la desintegración ocurra, pero descarta muchas teorías que predecían que sería más común.

A continuación, el equipo buscó corrientes neutras de cambio de sabor. En el lenguaje de la física de partículas, esto describe un proceso en el que un quark cambia su tipo, o "sabor", sin cambiar su carga eléctrica. El Modelo Estándar permite que esto suceda, pero solo a través de bucles complejos e indirectos que lo hacen extremadamente raro. Los investigadores examinaron desintegraciones donde una partícula de charmonium se convierte en un mesón D neutro y un par de muones, o un mesón D neutro y un fotón. También buscaron desintegraciones similares que involucran mesones D producidos en un umbral de energía específico donde se crean en pares. Al marcar una partícula del par, pudieron estudiar la otra con alta precisión. No se encontraron señales. Los límites establecidos por estas búsquedas se acercan ahora al nivel donde el Modelo Estándar predice que estos eventos deberían ocurrir, lo que significa que, si hay nueva física escondida en estas desintegraciones, lo hace de manera muy sutil.

La búsqueda también se extendió a la violación del sabor de leptones cargados. Aunque sabemos que los neutrinos pueden cambiar su sabor, el Modelo Estándar predice que partículas más pesadas como electrones y muones nunca deberían cambiar de identidad en una desintegración. Encontrar un electrón convirtiéndose en un muón, o viceversa, sería una señal clara de nueva física. Los investigadores buscaron esto en varios lugares: en la desintegración de una partícula psi en un electrón y un muón, y en la desintegración de mesones eta en el mismo par. Utilizaron el entorno limpio del colisionador para distinguir estos eventos raros del ruido de fondo. El resultado fue una ausencia total de tales eventos. Establecieron los límites más estrictos hasta la fecha sobre estos procesos, descartando efectivamente muchos modelos que predecían una tasa más alta de intercambio de sabor. Estos resultados nulos imponen fuertes restricciones a las fuerzas teóricas que podrían causar tal violación.

Finalmente, el equipo investigó un principio fundamental de la naturaleza llamado simetría de Bose. Esta regla establece que dos partículas idénticas con espín cero, como dos kaones neutros, no pueden existir en un estado que viole ciertas propiedades de la mecánica cuántica. En el caso específico de dos kaones neutros producidos de una desintegración de charmonium, el Modelo Estándar predice que el evento debería estar prohibido a menos que ocurra una diminuta ruptura de simetría. Los investigadores buscaron la producción simultánea de dos kaones neutros. No encontraron tales eventos. Los límites que establecieron son tan bajos que caen por debajo de las predicciones de algunas teorías propuestas que involucran la gravedad cuántica y la violación de la localidad, las cuales sugieren que las partículas entrelazadas podrían comportarse de maneras que rompen estas reglas. Sin embargo, los resultados permanecen por encima del nivel ínfimo de violación esperado causado por fuentes conocidas de ruptura de simetría dentro del Modelo Estándar.

En resumen, la colaboración BESIII ha utilizado las muestras más grandes del mundo de partículas de encanto para realizar las búsquedas más sensibles hasta la fecha de desintegraciones raras y prohibidas. No encontraron evidencia de la nueva física que estaban cazando. En su lugar, han trazado un círculo más estrecho alrededor del Modelo Estándar, demostrando que la naturaleza se adhiere a sus reglas con una precisión notable. Aunque no se descubrieron nuevas partículas o fuerzas, el trabajo está lejos de terminar. Está previsto que el experimento reciba mejoras que aumentarán el número de colisiones y mejorarán la capacidad de rastrear partículas. Con más datos y mejores herramientas, la búsqueda de las grietas más pequeñas en el mapa de la física continuará, impulsada por la esperanza de que un día, un solo evento raro revele una verdad más profunda sobre el universo.