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Después de más de 40 años de búsqueda, los físicos del CERN han alcanzado un importante avance en su investigación sobre una de las desintegraciones de partículas más raras. Los investigadores que trabajan con el experimento LHCb han detectado evidencia de un proceso que se prevé que ocurra solo una vez en aproximadamente 10 mil millones de desintegraciones de partículas belleza. Este hallazgo, anunciado durante un seminario en el CERN, marca la primera vez que un único experimento ha producido evidencia suficiente para este evento extraordinariamente raro. Más allá de su rareza, la desintegración es particularmente valiosa porque podría ayudar a los científicos a investigar partículas que son demasiado masivas para ser creadas directamente en el Gran Colisionador de Hadrones.
En el centro de este descubrimiento se encuentra una partícula llamada B d, que contiene un quark belleza y un antiquark down. Los científicos encontraron evidencia de que esta partícula puede desintegrarse en un par de muones (μ + μ -). Los muones son similares a los electrones, pero tienen una mayor masa. Los resultados coinciden con las predicciones del Modelo Estándar, la teoría principal que describe las partículas fundamentales y sus interacciones, y ayudan a reducir las posibilidades de nuevas partículas más allá de este modelo.
Una de las razones por las que los físicos están tan interesados en estas desintegraciones inusuales es que los efectos cuánticos permiten que otras partículas influyan en cómo ocurren. Incluso las partículas que son demasiado pesadas para ser producidas en el Gran Colisionador de Hadrones pueden dejar trazas sutiles en las tasas de estos procesos. Al medir desintegraciones extremadamente raras con alta precisión, los investigadores pueden buscar diferencias entre los resultados experimentales y las predicciones teóricas. Tales discrepancias podrían proporcionar evidencia indirecta de partículas previamente desconocidas. En general, cuanto más rara es una desintegración, más sensible puede ser a estas influencias ocultas.
La desintegración conocida como B d → μ + μ - pertenece a una categoría especial que los físicos han considerado durante mucho tiempo como "canales dorados" para investigar la física más allá del Modelo Estándar. Durante este proceso, un quark belleza y un antiquark con carga eléctrica opuesta se aniquilan entre sí. Su energía se transforma en un muón y su antipartícula. Los científicos han observado previamente un proceso relacionado que involucra a otra partícula belleza, llamada B s. En 2015, un análisis conjunto de las colaboraciones LHCb y CMS reportó la primera observación confirmada de B s → μ + μ -, junto con evidencia inicial de la desintegración B d, que es mucho más rara.
Sin embargo, análisis posteriores que incorporaron datos recolectados hasta 2018 no pudieron confirmar la evidencia inicial para la desintegración B d → μ + μ -. La diferencia en la rareza de estos eventos es considerable. La desintegración B s ocurre aproximadamente tres veces por cada mil millones de desintegraciones de partículas beauty, mientras que el proceso B d se predice que sucederá unas 30 veces con menor frecuencia.
Una mejora significativa en el experimento LHCb permitió a los investigadores superar la enorme dificultad de detectar un evento tan raro. Tras una importante actualización, el experimento comenzó a recolectar datos en 2024 a una tasa cinco veces mayor que la alcanzada entre 2010 y 2018. El detector actualizado también mejoró su capacidad para identificar diferentes tipos de partículas, brindando a los investigadores una imagen más clara de la actividad producida durante las colisiones.
El equipo combinó estas mejoras con técnicas de aprendizaje automático para distinguir las señales excepcionalmente raras de la vasta cantidad de otros procesos de partículas. Sin estos avances, los eventos que los científicos deseaban estudiar habrían sido abrumados por el ruido de fondo. "Los físicos han estado persiguiendo esta desintegración durante más de cuarenta años", comentó Marco Santimaria, quien co-lideró el equipo de análisis internacional compuesto por 19 científicos. "Se requiere una precisión extrema para seleccionar los muones del abrumador fondo".
En la física de partículas, los científicos utilizan una medida estadística llamada desviaciones estándar para evaluar cuán probable es que una señal aparente resulte de fluctuaciones aleatorias en lugar de un proceso físico genuino. Un resultado debe alcanzar tres desviaciones estándar para calificar como evidencia de un nuevo fenómeno. A ese nivel, la probabilidad de que fluctuaciones aleatorias produzcan una señal al menos tan estadísticamente extrema es aproximadamente del 0.3%.
Utilizando datos recolectados durante 2024 y 2025, los investigadores de LHCb identificaron evidencia de B d → μ + μ - con una significancia de 3.0 desviaciones estándar. Cuando combinaron esas mediciones con datos anteriores recolectados entre 2011 y 2018, la significancia estadística aumentó a 3.2 desviaciones estándar, superando el umbral ampliamente aceptado para considerar evidencia.
La misma investigación también produjo las mediciones más precisas obtenidas hasta ahora para la desintegración relacionada B s → μ + μ -, proporcionando información adicional sobre estos procesos excepcionalmente poco comunes.
Aunque los nuevos hallazgos representan un logro significativo, los físicos aún no han alcanzado el umbral necesario para declarar una observación confirmada. Este hito requiere una significancia de cinco desviaciones estándar, lo que implica que se necesita un nivel de certeza muy alto para validar estos resultados.
Si las mediciones futuras logran ese nivel de certeza, la desintegración B d → μ + μ - se convertiría en la desintegración de partícula de belleza más rara jamás observada, marcando un hito en la investigación de la física de partículas.
Los investigadores esperan que las próximas mejoras al Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) hagan que estas mediciones sean aún más poderosas. Se prevé que el LHC de Alta Luminosidad, también conocido como HiLumi LHC, comience a operar en 2030. Además, se planea una importante actualización del experimento LHCb para mediados de la próxima década. Juntas, estas mejoras podrían aumentar la tasa de recolección de datos del experimento en un factor de diez, lo que permitiría un análisis más exhaustivo de los fenómenos observados.
La recolección de conjuntos de datos mucho más grandes permitiría a los físicos detectar más de estas desintegraciones extremadamente raras y medir sus propiedades con mayor precisión. Esa sensibilidad aumentada podría hacer posible identificar efectos sutiles asociados con partículas que permanecen más allá del alcance directo de los aceleradores existentes, abriendo nuevas vías de investigación en el campo.
"Ver evidencia de esta rara desintegración es increíblemente emocionante, abriendo nuevas posibilidades para investigar más allá del alcance directo del LHC", explicó Harry Cliff, coordinador de desintegraciones raras del LHCb y co-líder de análisis. Su entusiasmo refleja la importancia de estos hallazgos en la búsqueda de nuevas partículas y fenómenos en el universo.
"La futura actualización del LHCb nos permitirá observar muchas más de estas desintegraciones, proporcionando una sensibilidad aún mayor a partículas no descubiertas", agregó Cliff, subrayando el potencial de estas mejoras tecnológicas.
Para los físicos que han perseguido esta señal esquiva durante más de cuatro décadas, la nueva evidencia representa un avance largamente esperado. También ofrece una forma prometedora de investigar si las leyes conocidas de la física de partículas son parte de un panorama mucho más amplio, lo que podría cambiar nuestra comprensión fundamental del universo.
Después de cuatro décadas de investigación, el CERN ha encontrado evidencia de un fenómeno raro en la física de partículas: la desintegración de una partícula subatómica que ocurre una vez cada diez mil millones de veces. Este descubrimiento es significativo porque proporciona información valiosa sobre las interacciones fundamentales que rigen el comportamiento de las partículas en el universo.
Fuente original: ScienceDaily.
