Observation of the and study of the decays
Utilizando datos de colisiones protón-protón del LHCb, este artículo reporta la primera observación de la desintegración rara con una fracción de ramificación medida de y proporciona una nueva medición de la razón de la fracción de ramificación entre y .
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En el mundo subatómico, la naturaleza sigue un conjunto estricto de reglas conocidas como el Modelo Estándar. Este marco explica cómo interactúan los bloques de construcción más pequeños del universo, pero también contiene brechas poco comunes. Una de estas brechas involucra un tipo específico de transformación donde una partícula pesada llamada quark bottom se convierte en un quark strange más ligero. Según el Modelo Estándar, este cambio es increíblemente difícil de lograr; solo puede ocurrir a través de vías indirectas y complejas que suprimen el evento, convirtiéndolo en un suceso muy raro. Debido a que estos eventos son tan raros, actúan como una prueba sensible para las leyes de la física. Si el universo se comporta de manera ligeramente distinta a lo que predice el Modelo Estándar durante estos momentos inusuales, podría ser una señal de fuerzas o partículas nuevas y no descubiertas que se esconden en las sombras.
Durante décadas, los científicos han centrado su búsqueda de estos eventos raros en partículas llamadas mesones, que están hechos de dos quarks. Sin embargo, existe otra familia de partículas llamadas bariones, que están hechas de tres quarks. Estos bariones ofrecen una perspectiva diferente porque giran, añadiendo una capa de complejidad que los mesones no tienen. Hasta ahora, la mayor parte de la investigación sobre estas transformaciones raras en bariones se había limitado a un solo tipo, dejando un vacío en nuestra comprensión de cómo se aplican estas reglas a partículas más pesadas y complejas. El experimento LHCb en el CERN, un detector masivo diseñado para estudiar partículas que contienen quarks pesados, ha dirigido ahora su atención a un barión más pesado conocido como . Esta partícula es mucho más rara de producir que las estudiadas anteriormente, lo que hace que la búsqueda de sus desintegraciones raras sea un desafío significativo.
Un equipo de investigadores utilizando el detector LHCb ha observado con éxito una desintegración rara del barión por primera vez. En este proceso, el barión pesado se transforma en una partícula más ligera llamada y un par de muones, que son primos pesados del electrón. Este evento es impulsado por la transición rara de un quark bottom a un quark strange. Para encontrar esta señal, el equipo analizó una vasta cantidad de datos recolectados de colisiones protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones durante varios años. Buscaron una firma específica: una cascada de desintegraciones donde el barión pesado primero se divide en un y dos muones, y luego el propio se desintegra en una partícula lambda y un pion, con la partícula lambda desintegrándose posteriormente en un protón y otro pion. Esta cadena única de eventos crea un camino distintivo a través del detector que es muy difícil de imitar por el ruido de fondo.
Los investigadores encontraron evidencia clara de esta desintegración, observando una señal estadísticamente significativa para ser considerada un descubrimiento. Contaron el número de veces que este evento ocurrió y lo compararon con una desintegración similar más común, donde el se transforma en un y una partícula J/psi, un estado bien conocido compuesto por un quark charm y su antipartícula. Al utilizar esta desintegración común como punto de referencia, el equipo pudo cancelar muchas incertidumbres relacionadas con la frecuencia con la que se producen estas partículas y cómo las ve el detector. Este método les permitió medir la probabilidad del evento raro con una precisión mucho mayor. Determinaron que la fracción de ramificación, que es la probabilidad de que ocurra esta desintegración específica de entre todas las formas posibles en que la partícula puede desintegrarse, es aproximadamente 118 veces . Esto significa que por cada diez millones de desintegraciones, este evento raro ocurre aproximadamente una vez, una tasa que es sorprendentemente alta en comparación con otros procesos similares que involucran bariones.
El estudio también examinó cómo se comporta esta desintegración en diferentes niveles de energía, específicamente examinando la masa de los dos muones producidos en el evento. Los investigadores dividieron los datos en tres rangos distintos de esta masa. En el rango de mayor energía, encontraron una señal muy fuerte, confirmando que la desintegración ocurre frecuentemente allí. En el rango medio, encontraron evidencia de la desintegración, aunque con menor certeza. En el rango de menor energía, la señal fue demasiado débil para confirmarla, por lo que establecieron un límite superior sobre qué tan seguido podría estar ocurriendo. Estas mediciones fueron comparadas con predicciones hechas por modelos teóricos basados en la cromodinámica cuántica de red, un método poderoso para calcular el comportamiento de los quarks. Los resultados mostraron una buena concordancia con estas predicciones, particularmente en la región de alta energía, sugiriendo que la comprensión actual del Modelo Estándar se mantiene incluso para estas partículas pesadas y complejas.
Además de la desintegración rara del par de muones, el equipo también estudió un proceso relacionado donde el se desintegra en un y un primo más pesado de la J/psi llamado . Midieron la relación de qué tan seguido ocurre esto en comparación con la desintegración más común de la J/psi. Encontraron que la desintegración ocurre aproximadamente la mitad de las veces que la desintegración J/psi. Este resultado es consistente con las mediciones realizadas en otros tipos de bariones y ayuda a los científicos a comprender el papel de las interacciones complejas que ocurren cuando estas partículas se desintegran. El hecho de que la desintegración rara del par de muones ocurra a una tasa comparable, o incluso superior, a desintegraciones similares en partículas más ligeras sugiere que la masa pesada del podría compensar parcialmente su baja tasa de producción, haciendo posible la observación de estos eventos elusivos.
Este descubrimiento abre un nuevo capítulo en el estudio de los bariones pesados. Al confirmar que estas desintegraciones raras ocurren y medir sus tasas, los investigadores han proporcionado un nuevo punto de referencia para probar el Modelo Estándar. La capacidad de observar estos eventos en un sistema de barión más pesado, con sus propiedades de espín únicas, ofrece una forma complementaria de verificar desviaciones que podrían insinuar nueva física. A medida que el experimento LHCb continúe recolectando más datos en los próximos años, los científicos podrán estudiar los patrones angulares detallados de estas desintegraciones, potencialmente descubriendo secretos aún más profundos sobre las fuerzas fundamentales que gobiernan el universo. La observación de la desintegración es un testimonio del poder de la medición de precisión en la búsqueda para comprender los bloques de construcción de la realidad.
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