La colaboración internacional LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN ha presentado un nuevo estudio de desintegraciones de partículas cuyos resultados demuestran la "universalidad del sabor leptónico", una característica fundamental de los leptones predicha por el Modelo Estándar de la física de partículas. Estudios anteriores apuntaban a una posible violación de esta propiedad, confrontando las observaciones experimentales con las predicciones teóricas, y señalaban el camino hacia nueva física, concretamente, hacia la posible existencia de nuevas partículas y/o fuerzas no contempladas en el Modelo Estándar. Sin embargo, los resultados obtenidos en este nuevo análisis, que utiliza la muestra completa de datos recogidos durante los dos periodos anteriores de funcionamiento del LHC (Run 1 y Run 2), parecen arrojar luz sobre este asunto, ya que sí coinciden con las predicciones teóricas.
La universalidad leptónica establece que las fuerzas fundamentales son "ciegas" a la generación a la que pertenece un leptón, es decir, no distinguen entre leptones que solo difieren en la masa. Sin embargo, en los últimos años, resultados obtenidos por LHCb y otros experimentos localizados en Japón y Estados Unidos sugerían que esto podría no ser así, generando un cauto entusiasmo entre la comunidad investigadora ante la posibilidad de encontrar indicios de nueva física más allá del Modelo Estándar.
El interés por las "anomalías de sabor" alcanzó su punto álgido en marzo de 2021, cuando LHCb presentó nuevos resultados en los que se comparaban las velocidades a las que ciertos mesones B se desintegraban en muones y electrones. Según la teoría, las desintegraciones en muones y electrones deberían producirse al mismo ritmo una vez que se tienen en cuenta las diferencias en las masas de los leptones. Pero los resultados obtenidos por LHCb parecían indicar que los mesones B se desintegraban en muones a un ritmo inferior al previsto en el Modelo Estándar.
Este nuevo análisis de LHCb, en curso desde hace cinco años, ha sido el más completo hasta la fecha. Los investigadores han considerado por primera vez, y simultáneamente, dos modos diferentes de desintegración para los mesones B y han conseguido controlar mejor los procesos de fondo que pueden confundirse con desintegraciones de mesones B en electrones. Además, los dos modos de desintegración se han medido en dos regiones de masa diferentes, lo que ha permitido realizar cuatro comparaciones independientes. Los resultados obtenidos en este análisis mejorado concuerdan perfectamente con el principio de universalidad del sabor leptónico que predice el Modelo Estándar. El estudio, por tanto, descarta la existencia de anomalías en la universalidad leptónica.
"Los primeros indicios de anomalías en la universalidad del sabor leptónico provocaron gran expectación", afirma el físico teórico Michelangelo Mangano, del CERN. "El hecho de que tales anomalías pudieran ser reales demuestra lo mucho que queda por saber, ya que las interpretaciones teóricas han puesto de manifiesto una infinidad de fenómenos imprevistos. Estos últimos resultados presentados por LHCb no nos apartan de nuestra misión principal: seguir ampliando los límites de nuestro conocimiento y continuar buscando anomalías que señalen el camino a nueva física."
El "sabor", una característica fundamental de los fermiones
El concepto de "sabor" en física de partículas fue introducido para etiquetar los diferentes tipos de quarks conocidos: up, down, charm, strange, top y bottom (arriba, abajo, encanto, extraño, cima y fondo). El mismo término de sabor también se utiliza para el sector leptónico, en el que se conocen tres tipos de leptones cargados: electrón, muón y tau. A su vez, estos leptones cargados cuentan con una partícula neutra asociada: neutrino del electrón, neutrino del muón y neutrino del tau, respectivamente. Los 12 quarks y leptones conocidos son los "ladrillos" constituyentes de la materia y, en conjunto, reciben el nombre de fermiones. Curiosamente, algunos fermiones parecen "copias" de otros, siendo la masa la única diferencia entre ellos. Esto permite agrupar los fermiones del Modelo Estándar en tres "sabores" o "generaciones".
Como la única diferencia entre los fermiones de diferentes sabores es la masa, no es posible distinguir entre unos sabores u otros en aquellos procesos físicos en los que masa no juega un papel relevante. Esta propiedad fundamental del Modelo Estándar se conoce como universalidad. En particular, para el caso de los leptones, hablamos de universalidad leptónica o universalidad del sabor leptónico. Esta última ha sido el objeto de análisis en el reciente estudio de LHCb.
