Un experimento del CERN utiliza un nuevo método para observar una rara desintegración

¿Qué pasa si las probabilidades de que ocurra un evento son de una entre 10.000 millones? Este es el caso de la desintegración de una partícula cargada positivamente llamada kaón en otra partícula con carga positiva llamada pión y un par neutrino-antineutrino. Los físicos de partículas tienen mucho interés en captar este evento infrecuente, que nunca ha sido observado con certeza. ¿La razón? El Modelo Estándar predice esta probabilidad de una entre 10.000 millones con una incertidumbre de menos del 10%. Así, una desviación de esta predicción revelada por una medida precisa de la desintegración podría ser un indicio claro de física más allá de esta teoría.

La colaboración del experimento NA62 informa hoy en un seminario en el CERN de un evento candidato a esta extremadamente rara desintegración obtenido mediante una nueva aproximación conocida como “desintegración en vuelo”. Aunque este evento no puede utilizarse en sí mismo para probar la existencia de física más allá del Modelo Estándar, demuestra que esta aproximación funciona y puede aplicarse para captar más eventos en el próximo periodo de toma de datos, que comienza a mediados de abril. El resultado se presentó a principios de este mes en los Encuentros de Moriond (La Thuille, Italia), una de las conferencias de física de partículas con más tradición.

Para buscar desintegraciones del kaón, el equipo de NA62 obtiene primero haces de partículas ricas en kaones disparando protones de mucha energía del acelerador Súper Protón Sincrotrón (SPS) en un blanco de berilio. La colisión crea un haz de mil millones de partículas cada segundo, de las cuales un 6% son kaones. Después, el haz se envía a través de un detector Cherenkov, que sirve para identificar los kaones por la radiación que producen. Un detector de píxeles de silicio determina entonces el momento de los kaones con una resolución de 100 picosegundos (la billonésima parte de un segundo). Otro dispositivo (straw tracker), ubicado en el tanque de vacío, mide a su vez el momento de las partículas producidas por la desintegración de los kaones, y otro detector Cherenkov llamado RICH determina su tipo. Los calorímetros impiden eventos de fondo con fotones y muones.

En sus análisis de datos tomados durante 2016, el equipo de NA62 identificó un evento candidato a la desintegración de un kaón cargado positivamente en un pión con carga positiva y una pareja neutrino-antineutrino que escapa sin ser detectada. El resultado permite a los investigadores poner límites a la frecuencia relativa, o ‘tasa de producción’, de la desintegración en 14 en 10.000 millones. El resultado es compatible con la predicción del Modelo Estándar de 8,4 en 100.000 millones (con una incertidumbre de 1), pero se necesitan más datos para probar teorías más allá del Modelo Estándar que predicen desviaciones del valor estimado por esta teoría.

No es la primera vez que se observan indicios de esta desintegración. Otros eventos se observaron en el experimento E949 y su predecesor E787 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (EE.UU.). Estos eventos se utilizaron para inferir una tasa de producción de 17,3 entre 100.000 millones con una incertidumbre de 11, que es compatible con las predicciones del Modelo Estándar aunque con grandes errores.

Pero hay una diferencia entre los experimentos de Brookhaven y NA62 en el CERN: mientras que en los anteriores resultados se observó la desintegración del kaón con otras partículas en descanso en el blanco, el experimento NA62 ha observado la desintegración mientras las partículas están en vuelo dentro el tanque de vacío. Esta nueva técnica tiene ventajas porque deja más espacio para la detección y la defensa frente a los sucesos de fondo.

El equipo NA62 espera identificar más eventos de esta rara desintegración del kaón en los análisis que lleva a cabo actualmente con una muestra de datos mucho mayor tomada en 2017, y comenzará de nuevo a tomar datos a mediados de abril durante el récord de 218 días. Si todo avanza según lo previsto, la colaboración sería capaz de medir la tasa de producción de la desintegración con una incertidumbre lo suficientemente pequeña como para probar de forma precisa las  predicciones del Modelo Estándar.