Primeros indicios experimentales de una nueva física más allá del modelo estándar

Los investigadores Joaquim Matías (izquierda) 
y Javier Virto en la UAB

Fruto de una predicción observada experimentalmente en el CERN

Un equipo de físicos de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) y del CNRS francés han predicho desviaciones en la probabilidad de una de las desintegraciones del mesón B que han sido detectadas experimentalmente en el acelerador LHC del CERN. La confirmación de los resultados sería la primera prueba directa de la existencia de la 'nueva física', una teoría más fundamental que el vigente modelo estándar de las partículas.

El modelo estándar, el modelo teórico más completo que existe hasta ahora para explicar el universo, tiene carencias y no permite explicar fenómenos como la materia oscura o la interacción gravitatoria entre partículas. Los físicos buscan una teoría más fundamental a la que llaman 'nueva física', pero hasta ahora no había ninguna prueba directa de su existencia, aparte de la observación indirecta de la materia oscura, deducida, entre otros, a partir del movimiento de las galaxias.

Un equipo de físicos formado por el profesor del departamento de Física de la UAB Joaquim Matias, el investigador posdoctoral Javier Virto, de la misma universidad, y el investigador del CNRS / Université Paris-Sud Sébastien Descotes-Genon, ha predicho que esta nueva física implicaría la existencia de unas desviaciones en la probabilidad de una desintegración muy específica de una partícula, el mesón B. Detectar estas pequeñas desviaciones mediante un experimento sería la primera prueba directa de la existencia de esta teoría más fundamental.

El 19 de julio pasado, científicos del detector LHCb, uno de los grandes experimentos que se llevan a cabo en el acelerador LHC del CERN, mostraron en la conferencia internacional de física de partículas EPS 2013 de Estocolmo (Suecia), los resultados de las medidas experimentales de esta desintegración del mesón B. Las medidas muestran unas desviaciones respecto a las predicciones del modelo estándar que los investigadores de la UAB y del CNRS calcularon. El hecho relevante ha sido que estos investigadores han demostrado que todas estas desviaciones muestran un patrón coherente que les ha permitido identificar su origen en una única fuente.

Los resultados de su análisis apuntan a una desviación respecto a la predicción del modelo estándar de 4,5 sigmas. Si se confirma, sería todo un acontecimiento, ya que los científicos consideran 3 sigmas como "evidencia científica" de la nueva física y 5 sigmas como "descubrimiento".

"Hay que ser prudentes, porque serán necesarios más estudios teóricos y más medidas experimentales para confirmarlo", explica Joaquim Matias, "pero si se confirman estaríamos ante la primera prueba directa de la nueva física, una teoría más general que el actualmente vigente modelo estándar". "Si el Higgs ha completado el puzle del modelo estándar, estos resultados pueden ser la primera pieza de un nuevo puzle mucho mayor", añade el Dr. Matias.

Los investigadores apuntan que uno de los modelos de nueva física que podría explicar estos resultados sería el que postula la existencia de una nueva partícula llamada Zprima, "pero podría haber muchos otros modelos compatibles", puntualiza Matias.

El interés del resultado ha llevado a los científicos del otro gran experimento del LHC, el detector CMS, a querer hacer esta medida. El CMS ha invitado al Dr. Matias a explicar los detalles teóricos en un seminario para tratar de corroborar el resultado. Al mismo tiempo LHCb también está añadiendo nuevos datos para mejorar la estadística y confirmar estas medidas el próximo mes de marzo de 2014.

Más allá del modelo

Hace años que los físicos de partículas saben que la teoría que utilizan, a pesar de ser un modelo muy exitoso en todos los test realizados hasta ahora, tiene importantes carencias como la falta de un candidato de materia oscura. También presenta otros problemas más fundamentales como el llamado problema de las jerarquías o de la asimetría materia-antimateria del universo.

Dos de los objetivos centrales del acelerador Large Hadron Collider (LHC) son encontrar el bosón de Higgs y la nueva física, una teoría más fundamental y más general que la del modelo estándar en la que este solo sería un caso particular. Los físicos encontraron, hace un año, el bosón de Higgs, pero al parecer la partícula encaja perfectamente en el modelo estándar y de momento no da ninguna pista clara de nueva física.

Resultados presentados en la conferencia EPS 2013
En el CERN hay cuatro experimentos, cuatro grandes detectores (ATLAS, CMS, LHCb, y Alice) que registran las colisiones entre partículas para que los científicos analicen su comportamiento. El detector del LHCb está diseñado para estudiar el comportamiento de los quarks y estudiar desintegraciones llamadas raras, muy poco frecuentes.

El 19 de julio pasado, en la conferencia de Física de Altas Energías EPS 2013 de la Sociedad Europea de Física, en Estocolmo (Suecia), el Dr. Matias presentó las predicciones teóricas de su grupo sobre una de estas desintegraciones: la de un mesón B, formado por un quark b y un antiquark d, en un par de muones y en una partícula llamada K*. El grupo de investigadores de la UAB y CNRS calculó la predicción de cómo debe funcionar esta desintegración, y cómo cambiaría en diversos escenarios de Nueva Física.

Poco después, un físico experimental del detector LHCb, Nicola Serra, presentó en la misma conferencia los primeros resultados experimentales completos de esta desintegración. De manera sorprendente, las medidas experimentales eran coherentes con las desviaciones predichas por Joaquim Matias y sus colaboradores. Por primera vez, este tipo de desviaciones eran consistentes con predicciones teóricas basadas en la presencia de contribuciones más allá del modelo estándar.SINC