La universalidad del sabor de leptones del Modelo estándar sostiene que la única diferencia entre estos tres tipos de partículas, o "sabores", es su masa, y que cada sabor de leptones tiene la misma probabilidad de interactuar con partículas portadoras de fuerza como el bosón W.
En física de partículas, son las anomalías, tensiones, desviaciones y discrepancias, los resultados que no se sincronizan con las predicciones y cálculos basados en el Modelo Estándar, lo que les da un dolor de cabeza a los que trabajan en el campo.
Las explicaciones típicas son problemas o limitaciones en las mediciones, algoritmos o análisis, pero también existe la posibilidad de una física nueva, aún no entendida. E incluso si el resultado simplemente conserva el statu quo, tales confirmaciones también pueden ser vitales para el campo para perseguir otros problemas aún no resueltos.
Un nuevo estudio, publicado esta semana en arXiv.org y pronto a ser enviado a una revista científica, se sumerge en una discrepancia de décadas dentro del Modelo Estándar de la física de partículas, llamada "universalidad del sabor de leptones", y proporciona una fuerte evidencia para resolverla.
Entre los miembros de la familia de los leptones se encuentran los electrones y sus "hermanos" más pesados: tau-leptones y muones. La universalidad del sabor de leptones del Modelo estándar sostiene que la única diferencia entre estos tres tipos de partículas, o "sabores", es su masa, y que cada sabor de leptones tiene la misma probabilidad de interactuar con partículas portadoras de fuerza como el bosón W.
Una discrepancia en esta caracteristica surgió por primera vez durante la década de 1990 en experimentos en el Large Electron-Positron collider (LEP) del CERN, cuando se descubrió que las interacciones entre el leptón tau y el bosón W eran más probables que las interacciones entre un bosón W y un electrón o muón.
Varios análisis recientes que utilizan datos recopilados de los experimentos Belle, LHCb y BaBar también han sugerido discrepancias en esta universalidad, aunque a escalas de energía más bajas.
El equipo de investigadores que lideró el último estudio, entre ellos Josh McFayden, que se unió al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos (Berkeley Lab) como científico del proyecto en abril de 2020, utilizó un enfoque completamente diferente para medir la universalidad del sabor de los leptones con mayor precisión.
El equipo aprovechó los datos recopilados entre 2015 y 2018 por el detector ATLAS en el sucesor de LEP, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Toda la colaboración de ATLAS, que cuenta con unos 5.000 miembros de 180 países, se acredita en el estudio.
Los investigadores de ATLAS trabajaron con un enorme conjunto de datos de colisiones de partículas protón-protón del LHC que produjeron alrededor de 100 millones de pares de partículas conocidas como quarks cima y su antipartícula. Estos pares se descomponen en pares de bosones W y, a su vez, los bosones se descomponen en tau-leptones, muones y otras partículas elementales.
La posterior descomposición de tau-leptones también condujo a la creación de otros muones, y la diferenciación entre las diversas fuentes de muones fue clave para proporcionar una medición precisa de la probabilidad de que la partícula resultante de una descomposición del bosón W fuera un muón o un tau. La nueva medición encontró una probabilidad casi igual, con una precisión récord en la incertidumbre de aproximadamente 1.3%, reduciendo a la mitad la incertidumbre de mediciones anteriores.
Los anteriores experimentos en el LEP también habían analizado las desintegraciones de los bosones W, pero se produjeron a través de la producción directa de pares de bosones W con una precisión de aproximadamente 2.6%. Esa medición no fue lo suficientemente precisa como para concluir decisivamente si existía una desviación del Modelo Estándar.
La presencia de varias fuentes de ruido de fondo en los datos al principio parecía muy desalentadora, dijo McFayden.
"Cuando la gente miraba el tipo de cosas que se podían medir en el LHC, inicialmente dijeron que esta medición no sería posible debido a que las colisiones son más desordenadas y otros antecedentes en el LHC en comparación con los del LEP", dijo. "Pero pudimos aprovechar la alta precisión del algoritmo de reconstrucción de muón desarrollado por ATLAS para alcanzar la precisión requerida".
La técnica demostró ser superior a un posible enfoque alternativo para estudiar la descomposición tau "hadrónica"- los hadrones son otra familia de partículas subatómicas. McFayden dijo que la descomposición tau hadrónica es mucho más complicada de reconstruir, lo que lleva a mayores incertidumbres.
Para diferenciar entre los dos tipos de muones que los investigadores querían medir, los que se descompusieron directamente de los bosones W y los producidos a partir de la posterior descomposición de tau-leptones, el equipo analizó qué tan lejos viajó cada tipo en el detector ATLAS, uno de los gigantes detectores que recopila datos sobre colisiones de partículas en el LHC.
Los tau-leptones vuelan un par de milímetros más en el detector que los que decaen de los bosones W, lo que permite a los investigadores separar los muones producidos a partir de los tau-leptones. Las mejoras en el filtrado condujeron a una mayor precisión en la medición final.
"Lo que medimos es muy compatible con el modelo estándar; parece ser una confirmación bastante sólida del modelo estándar", dijo McFayden. Por supuesto, los nuevos datos del LHC, de próximas colisiones, pueden conducir a mediciones de mayor precisión.
McFayden señaló que todavía existen algunas peculiaridades en las interacciones de partículas que involucran tau-leptones, y la última medición podría llevar a los investigadores a centrar sus esfuerzos en resolver otras discrepancias que aparecen en los datos del LHC.
"Algo un poco extraño está sucediendo con el acoplamiento de taus en comparación con otros leptones", dijo McFayden. "Esto lo hace digno de mayor atención".
Fuente: Berkeley Lab