El Gran Colisionador de Hadrones puede haber revelado una nueva física extraña

Cuando el gigantesco acelerador de Cern, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), lanzado hace diez años, esperaba que pronto se descubrieran nuevas partículas que pudieran ayudarnos a desentrañar los misterios más profundos de la física. Materia oscura, agujeros negros microscópicos y dimensiones ocultas eran solo unos pocos posibilidades.

Pero aparte del descubrimiento espectacular del bosón de Higgs, el proyecto falló en dar pistas sobre lo que podría haber más allá del modelo estándar de física de partículas, nuestra mejor teoría actual del microcosmos.

Entonces nuestro nuevo papel de LHCb, uno de los cuatro experimentos gigantes en el LHC, es probable que haga que los corazones de los físicos laten un poco más rápido. Después de analizar los miles de millones de colisiones producidas durante la última década, podemos ver evidencia de algo completamente nuevo, potencialmente el portador de una fuerza completamente nueva de la naturaleza.

Pero la emoción se ve atenuada por la extrema precaución. El modelo estándar ha resistido todas las pruebas experimentales lanzadas desde que se ensambló en la década de 1970, por lo que afirmar que finalmente estamos viendo algo que no puede explicar requiere evidencia extraordinaria.

Extraña anomalía

El Modelo Estándar describe la naturaleza en la escala más pequeña, incluyendo partículas fundamentales conocidos como leptones (como electrones) y quarks (que pueden unirse para formar partículas más pesadas como protones y neutrones) y las fuerzas con las que interactúan.

Hay muchos tipos de quarks, algunos de los cuales son inestables y pueden descomponerse en otras partículas. El nuevo resultado se refiere a una anomalía experimental que fue mencionado por primera vez en 2014, cuando los físicos del LHCb observaron que los quarks «belleza» se desintegraban inesperadamente.

Específicamente, los quarks de belleza parecían descomponerse en leptones llamados «muones» con menos frecuencia de lo que se descomponen en electrones. Esto es extraño porque el muón es esencialmente una copia al carbón del electrón, idéntico en todos los sentidos excepto que es unas 200 veces más pesado.

Uno esperaría que los quarks de belleza se desintegraran en muones con tanta frecuencia como lo hacen en electrones. La única forma en que estas desintegraciones podrían ocurrir a diferentes velocidades es si partículas nunca antes vistas estuvieran involucradas en la desintegración e inclinen la balanza en contra de los muones.

Si bien el resultado de 2014 fue intrigante, no fue lo suficientemente específico como para sacar una conclusión firme. Desde entonces, han aparecido otras anomalías en procesos relacionados. Todos eran individualmente demasiado sutiles para que los investigadores estuvieran convencidos de que eran verdaderos signos de una nueva física, pero, de manera tentadora, todos parecían apuntar en una dirección similar.

La gran pregunta era si estas anomalías se volverían más fuertes a medida que se analizaran más datos o se fundieran en la nada. En 2019, LHCb llevó a cabo la misma medida del quark de belleza está decayendo nuevamente, pero con datos adicionales tomados en 2015 y 2016. Pero las cosas no estaban mucho más claras que cinco años antes.

Nuevos resultados

El resultado de hoy duplica el conjunto de datos existente al agregar la muestra registrada en 2017 y 2018. Para evitar la introducción accidental de sesgos, los datos se analizaron «a ciegas»: los científicos no pudieron ver el resultado hasta que todos los procedimientos utilizados en la medición hayan sido probados y revisados.

Mitesh Patel, físico de partículas del Imperial College de Londres y uno de los líderes del experimento, describió la emoción que sintió cuando llegó el momento de ver el resultado. «En realidad estaba temblando», dijo, «me di cuenta de que probablemente esto era lo más emocionante que había hecho en 20 años en física de partículas».

Cuando el resultado apareció en la pantalla, la anomalía todavía estaba allí: alrededor de 85 desintegraciones de muones por cada 100 desintegraciones de electrones, pero con una incertidumbre menor que antes.

Lo que fascinará a muchos físicos es que la incertidumbre del resultado ahora es mayor que «tres sigma», la forma en que los científicos dicen que solo hay una posibilidad entre mil de que el resultado sea una casualidad: datos aleatorios. Por convención, los físicos de partículas llaman «prueba» a cualquier cosa por encima de tres sigma. Sin embargo, todavía estamos muy lejos de un «descubrimiento» o «avistamiento» confirmado, lo que requeriría cinco sigma.

Los teóricos han demostrado que es posible explicar esta anomalía (y otras) reconociendo la existencia de partículas completamente nuevas que influyen en la forma en que los quarks se desintegran. Una posibilidad es una partícula fundamental llamada «Z prima», esencialmente portadora de una fuerza de la naturaleza completamente nueva. Esta fuerza sería extremadamente débil, por lo que no hemos visto ningún signo de ella hasta ahora, e interactuaría de manera diferente con electrones y muones.

Otra opción es la hipotética «leptoquark– una partícula que tiene la capacidad única de descomponerse en quarks y leptones simultáneamente y podría ser parte de un rompecabezas más grande de por qué vemos las partículas que hacemos en la naturaleza.

Interpreta los resultados

Entonces, ¿hemos visto finalmente evidencia de una nueva física? Bueno, tal vez, tal vez no. Hacemos muchas mediciones en el LHC, por lo que puede esperar que al menos algunas de ellas caigan tan lejos del modelo estándar. Y nunca podemos descartar por completo la posibilidad de que haya un sesgo en nuestra experiencia que no hayamos tenido en cuenta adecuadamente, aunque este resultado se haya verificado de manera extremadamente exhaustiva. En última instancia, la imagen solo se volverá más clara con más datos. Actualmente, el LHCb está experimentando una importante actualización para aumentar drásticamente la tasa de registro de colisiones.

Incluso si la anomalía persiste, es probable que no se acepte por completo hasta que un experimento independiente confirme los resultados. Una posibilidad interesante es que podamos detectar las nuevas partículas responsables del efecto creado directamente en las colisiones en el LHC. Mientras tanto, el Experiencia Belle II en Japón debería poder realizar mediciones similares.

Entonces, ¿qué podría significar esto para el futuro de la física fundamental? Si lo que estamos viendo es realmente el presagio de algunas nuevas partículas fundamentales, en última instancia será el gran avance por el que los físicos se han esforzado durante décadas.

Finalmente, habremos visto parte del panorama general que se encuentra más allá del modelo estándar, lo que en última instancia nos permitirá desentrañar una serie de misterios establecidos. Estos incluyen la naturaleza de la materia oscura invisible que llena el universo o la naturaleza del bosón de Higgs. Incluso podría ayudar a los teóricos a unificar partículas y fuerzas fundamentales. O, quizás lo mejor de todo, podría indicar algo que ni siquiera consideramos.

Entonces, ¿deberíamos estar emocionados? Sí, resultados como este no ocurren muy a menudo, la búsqueda definitivamente ha comenzado. Pero también debemos ser cuidadosos y humildes; las reclamaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias. Solo el tiempo y el trabajo duro dirán si finalmente hemos visto el primer destello de lo que se encuentra más allá de nuestra comprensión actual de la física de partículas.

Este artículo fue publicado originalmente en La conversación. Fue escrito por Konstantinos Alexandros Petridis de la Universidad de Bristol y Harry Cliff y Paula Alvarez Cartelle de la Universidad de Cambridge.