Search for the rare decay
Utilizando una muestra de aproximadamente 10 mil millones de eventos recolectados por el detector BESIII, los investigadores buscaron la rara desintegración , no encontraron una señal significativa y establecieron un nuevo límite superior en su fracción de ramificación de al 90% de nivel de confianza, mejorando los límites previos por más de un factor de cuatro.
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En el mundo subatómico, las partículas no son solo diminutos bloques de construcción; también son mensajeras de las reglas más fundamentales del universo. Entre estas reglas se encuentran las simetrías: patrones ocultos que dictan cómo se comportan y se transforman las partículas. Una de estas reglas es la conjugación de carga, o simetría C, que esencialmente pregunta: si intercambiaras cada partícula de una reacción por su gemela de antimateria, ¿se verían las leyes de la física exactamente iguales? Para la mayoría de los procesos cotidianos, la respuesta es sí. Sin embargo, los físicos han sospechado durante mucho tiempo que la naturaleza podría, ocasionalmente, romper esta regla de formas muy específicas y raras. Encontrar tal ruptura sería un descubrimiento monumental, que sugeriría una nueva física más allá de nuestra comprensión actual del universo.
Dos partículas, la eta y la eta-prima, se encuentran en el centro de esta investigación. Son neutras, lo que significa que no poseen carga eléctrica, y están compuestas por una mezcla de quarks, los constituyentes fundamentales de la materia. Debido a su composición única y a las estrictas leyes de conservación que las gobiernan, se espera que estas partículas decaigan de formas muy predecibles. Si decayesen en tres fotones —partículas de luz— en lugar de sus habituales dos, esto señalaría una violación de la simetría C. Tal evento es tan improbable bajo nuestras teorías actuales que encontrarlo sería como detectar un grano de arena específico y particular en una vasta playa; sin embargo, es precisamente este tipo de búsqueda de "una aguja en un pajar" lo que impulsa la física de partículas moderna.
Un equipo de investigadores de la Colaboración BESIII ha dado ahora un paso masivo en esta búsqueda. Utilizando un detector de partículas gigante ubicado en el Instituto de Física de Altas Energías en Beijing, analizaron un conjunto colosal de datos que contiene más de diez mil millones de colisiones de electrones y positrones. Estas colisiones, que ocurren en una instalación llamada BEPCII, producen una lluvia de partículas, incluyendo el mesón J/psi. Los investigadores se centraron en una cadena de eventos específica: un mesón J/psi decayendo en un fotón y una partícula eta-prima, seguida de ese decaimiento de la partícula eta-prima en tres fotones. Para detectar este evento tan raro, el equipo tuvo que cribar una montaña de datos, buscando una firma muy específica: un estallido de energía proveniente de tres destellos de luz distintos, sin que hubiera otras partículas cargadas presentes en la mezcla final.
El desafío era inmenso. El detector, un cilindro complejo lleno de instrumentos sensibles, registra los depósitos de energía de las partículas que lo atraviesan. El equipo tuvo que filtrar miles de millones de eventos de fondo que podrían imitar su señal, como casos en los que una partícula decae en dos fotones y un tercer fotón no relacionado es detectado cerca. Utilizaron simulaciones computacionales sofisticadas para comprender cómo respondería su detector tanto a la señal que buscaban como al ruido que la oscurecería. Al aplicar filtros estrictos al tiempo y a la energía de los destellos de luz, y al verificar que la masa combinada de los tres fotones coincidiera con la masa conocida de la partícula eta-prima, redujeron el campo a un número manejable de candidatos.
Tras realizar su análisis, los investigadores no encontraron evidencia del raro decaimiento que buscaban. Los datos no mostraron ningún pico significativo en el número de eventos de tres fotones que pudiera atribuirse a la ruptura de las reglas de la partícula eta-prima. En su lugar, los resultados fueron consistentes con fluctuaciones aleatorias del fondo. Esta ausencia de una señal es, de por sí, un resultado poderoso. Permitió al equipo establecer un nuevo y mucho más estricto límite sobre qué tan frecuente podría ser este decaimiento prohibido. Determinaron que, si el decaimiento ocurre, sucede menos de 2,25 veces por cada 100.000 partículas eta-prima producidas. Este nuevo límite superior es más de cuatro veces más estricto que la mejor medición anterior, desplazando efectivamente los límites de lo que es posible en el mundo subatómico.
Las implicaciones de este resultado nulo son significativas para la búsqueda general de la comprensión del universo. Al descartar el decaimiento con este nivel de sensibilidad, el estudio impone restricciones severas a las teorías que predicen nuevas fuentes de violación de simetría. Si existe una nueva física que permita que la eta-prima se divida en tres fotones, debe ser aún más elusiva de lo que se pensaba anteriormente. El trabajo de los investigadores es un testimonio del poder de la paciencia y la precisión en la ciencia; al observar diez mil millones de eventos y no encontrar nada, han logrado despejar con éxito una capa de incertidumbre, acercándonos a una imagen completa de cómo operan las fuerzas fundamentales de la naturaleza.
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