Una señal fugaz entre miles de millones de desintegraciones de partículas
El experimento LHCb del CERN ha informado de los primeros indicios obtenidos por un único experimento de una desintegración excepcionalmente rara de un mesón B neutro en dos muones, a partir de datos de colisiones recopilados en 2024 y 2025. Al combinarse con mediciones anteriores, la señal alcanza una significación estadística de 3,2 desviaciones estándar, suficiente para considerarla un indicio, pero inferior al umbral que los físicos exigen para confirmar una observación.
Contenido
- Una señal fugaz entre miles de millones de desintegraciones de partículas
- ¿Qué es exactamente lo que desaparece?
- Por qué esto cuenta como indicio
- Una búsqueda que abarca de 1984 a 2026
- Cómo detecta el experimento los pares de muones
- Qué revela el resultado sobre las partículas desconocidas
- Por qué medir la vida media añade otra prueba
- Qué viene después en las escalas más pequeñas
- Puntos clave
El resultado, anunciado en 2026 en el comunicado del 3 de noviembre de la colaboración LHCb, hace avanzar una búsqueda iniciada en 1984. La desintegración se representa como B0 → μ+μ−, también llamada Bd → μ+μ−. En ella, una partícula que contiene un quark fondo o un antiquark fondo se transforma en un muón y su antipartícula.
El Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas elementales conocidas y sus interacciones, predice aproximadamente una desintegración de este tipo por cada 10.000 millones de desintegraciones de mesones B0. Su excepcional rareza hace que el proceso sea útil: una partícula aún no descubierta podría alterar lo suficiente su probabilidad como para que un experimento preciso lo detectara.
LHCb también presentó sus mediciones más precisas de la probabilidad y la vida media efectiva de una desintegración relacionada, Bs0 → μ+μ−. Ambos conjuntos de resultados concuerdan con el Modelo Estándar. En conjunto, ofrecen a los investigadores una forma más precisa de poner a prueba las teorías que proponen partículas más allá de las que ya se conocen.
¿Qué es exactamente lo que desaparece?
Los mesones B son partículas de vida corta formadas por un quark y un antiquark. Los mesones B0 y Bs0 pertenecen a la misma familia, pero sus componentes de quarks más ligeros son distintos: uno incluye un quark abajo y el otro, un quark extraño. Esta diferencia en su composición modifica la frecuencia con la que pueden producir un par de muones.
Un muón es una partícula elemental similar a un electrón, pero más pesada. Los dos muones de estas desintegraciones tienen cargas eléctricas opuestas. Los investigadores buscan sus trazas y utilizan las propiedades medidas para reconstruir la masa de la partícula que los produjo.
El Modelo Estándar predice que la desintegración Bs0 ocurre unas tres veces por cada mil millones de desintegraciones, aproximadamente 30 veces más que el proceso B0. Estas probabilidades, llamadas fracciones de desintegración, indican qué proporción de un tipo concreto de mesón sigue una determinada vía de desintegración. La mayoría de los mesones B desaparece por otras vías, de modo que la señal buscada queda oculta entre cantidades mucho mayores de partículas.
Por qué esto cuenta como indicio
LHCb obtuvo una significación de tres desviaciones estándar utilizando únicamente la muestra de 2024 y 2025. Al añadir datos de las corridas 1 y 2, los periodos anteriores de funcionamiento del Gran Colisionador de Hadrones, la cifra subió a 3,2.
La significación estadística mide hasta qué punto los datos favorecen una señal frente a una explicación basada únicamente en el fondo. Cuanto mayor es la cifra, menos probable es que una fluctuación aleatoria del fondo produzca un resultado al menos igual de llamativo. Los físicos de partículas suelen utilizar tres desviaciones estándar como umbral para hablar de indicios y cinco para confirmar una observación.
La descripción de la colaboración es deliberadamente precisa: se trata de los primeros indicios obtenidos por un único experimento de la desintegración B0 → μ+μ−. Un análisis conjunto de LHCb y CMS ya había informado de indicios en 2015, pero análisis posteriores no confirmaron aquella señal inicial.
La nueva medición vuelve a situar la búsqueda por encima del umbral de indicios gracias a un conjunto de datos nuevo. El siguiente objetivo estadístico es alcanzar cinco desviaciones estándar. LHCb no indicó cuándo podría lograrse.
Una búsqueda que abarca de 1984 a 2026
Los investigadores han estudiado estas desintegraciones raras a lo largo de varias generaciones de experimentos. El proceso Bs0, más frecuente, alcanzó primero el umbral de observación y sentó las bases para la búsqueda más difícil del proceso B0.
- 1984: Comienza la búsqueda de B0 → μ+μ−.
- Noviembre de 2012: LHCb informa de indicios de Bs0 → μ+μ− con 3,5 desviaciones estándar.
- Mayo de 2015: Un análisis conjunto de LHCb y CMS observa la desintegración Bs0 con 6,2 desviaciones estándar e informa de un indicio inicial de la desintegración B0.
- Febrero de 2017: LHCb observa por sí solo la desintegración Bs0 con 7,8 desviaciones estándar.
- Análisis posteriores con datos recopilados hasta 2018 no confirman el indicio anterior de la desintegración B0.
- 2024 y 2025: LHCb recopila los nuevos datos utilizados en el análisis más reciente.
- 3 de noviembre de 2026: LHCb anuncia indicios de la desintegración B0 con tres desviaciones estándar en la nueva muestra y 3,2 al combinarla con las corridas anteriores.
Esta historia explica por qué los investigadores distinguen cuidadosamente entre indicios y observación. Una señal prometedora requiere más datos, y las mediciones posteriores pueden reforzarla o situarla por debajo del umbral aceptado.
Cómo detecta el experimento los pares de muones
El detector actualizado de LHCb recopila datos a un ritmo unas cinco veces mayor que el alcanzado entre 2010 y 2018. Para un proceso que se espera apenas una vez por cada 10.000 millones de desintegraciones B0, registrar más colisiones aprovechables es esencial.
El Localizador de Vértices, conocido como VELO, ayuda a identificar dónde se crearon las partículas y dónde se desintegraron. Ensamblado por la Universidad de Liverpool, el detector funciona a solo cinco milímetros del haz del LHC. Su seguimiento preciso permite localizar los puntos de desintegración de partículas que sobreviven apenas una fracción diminuta de segundo.
El aprendizaje automático ayuda a separar los pares de muones prometedores del fondo, formado por muchos otros procesos que producen trazas o combinaciones de partículas similares. A continuación, los investigadores examinan la masa invariante de cada par, una magnitud calculada a partir de las energías y los momentos de los muones que puede revelar la masa de la partícula progenitora.
La distribución de masas contiene una contribución visible de las desintegraciones Bs0 y una contribución menor en la masa más baja del mesón B0. LHCb ajusta estas señales junto con el fondo para estimar cuántas desintegraciones de cada tipo están presentes.
La producción de mesones B0 ofrece una ventaja útil. Según LHCb, el colisionador produce unos cuatro mesones B0 por cada mesón Bs0. Aunque la probabilidad de que cada B0 se desintegre en dos muones es unas 30 veces menor, su mayor abundancia reduce la diferencia prevista en el número de sucesos a un factor aproximado de siete. Esta comparación ayuda a entender cómo puede detectarse el proceso más raro en un conjunto de datos suficientemente grande.
Qué revela el resultado sobre las partículas desconocidas
El Modelo Estándar ofrece predicciones precisas para las probabilidades de ambas desintegraciones. Las teorías que lo amplían pueden modificar esas predicciones al introducir partículas que afectan al proceso, aunque no se produzcan directamente como objetos visibles en el detector.
LHCb menciona como ejemplos bosones de Higgs adicionales, bosones vectoriales Z′ y leptoquarks. Son partículas propuestas en distintas ampliaciones de la teoría. Su posible influencia convierte las desintegraciones raras en una vía de búsqueda indirecta de fenómenos físicos a energías que superan el alcance directo de un experimento de colisión concreto.
La colaboración LHCb, que opera el experimento y llevó a cabo el análisis, describió así las mediciones más recientes:
Los resultados anunciados hoy, que concuerdan con el Modelo Estándar, delimitan con aún más precisión la región de parámetros en la que pueden existir estos nuevos modelos
En la práctica, esto reduce las combinaciones de masas de partículas propuestas e intensidades de interacción que siguen siendo compatibles con los experimentos. En el análisis conjunto de LHCb de las dos fracciones de desintegración, la predicción del Modelo Estándar se encuentra dentro de la región de confianza del 68,27 %, un intervalo que expresa la incertidumbre de la medición.
Por qué medir la vida media añade otra prueba
LHCb también midió la vida media efectiva de los mesones Bs0 que se desintegran en pares de muones. Al combinar datos de las corridas 1, 2 y 3, obtuvo 1,60 ± 0,16 ± 0,01 picosegundos, en concordancia con la predicción del Modelo Estándar.
Un picosegundo es la billonésima parte de un segundo. La primera incertidumbre describe los límites estadísticos de la medición; la segunda abarca los efectos sistemáticos relacionados con la forma en que se realiza. La incertidumbre estadística es mucho mayor, lo que muestra por qué pueden ser valiosos los datos adicionales.
La vida media efectiva describe el ritmo de desintegración de la muestra seleccionada de mesones Bs0. Algunas ampliaciones propuestas del Modelo Estándar pueden dejar casi inalterada la probabilidad total de producir dos muones y, al mismo tiempo, modificar la distribución temporal de esas desintegraciones. Medir tanto la frecuencia como el momento en que ocurren permite poner a prueba más posibilidades que limitarse a contar desintegraciones.
La proporción entre las fracciones de desintegración de B0 y Bs0 ofrece otra comparación. Una teoría propuesta debe explicar la relación entre ambos procesos, además de sus tasas individuales. Los últimos resultados de LHCb reúnen estas distintas comprobaciones en un mismo análisis.
Qué viene después en las escalas más pequeñas
LHCb presentó los nuevos resultados para su publicación y los expuso en un seminario del CERN que dio inicio a un taller entre la colaboración y físicos teóricos. La tarea experimental inmediata consiste en recopilar suficientes datos adicionales para acercar la señal B0 al umbral de observación y medir su probabilidad con mayor precisión.
Una nueva actualización de LHCb a mediados de la próxima década podría aumentar el ritmo de recopilación de datos en otro orden de magnitud, es decir, unas diez veces, según la colaboración. Esto permitiría realizar pruebas más exigentes con ambas desintegraciones raras.
El término «zeptoverso» describe las distancias extremadamente pequeñas que los investigadores esperan estudiar mediante mediciones de precisión como estas. Un zeptómetro equivale a la milésima parte de una milmillonésima de milmillonésima de metro. Las desintegraciones raras ofrecen una vía indirecta para estudiar efectos asociados a distancias muy pequeñas y energías elevadas.
La materia oscura y el origen del exceso de materia sobre la antimateria en el universo siguen siendo motivaciones más amplias para buscar fenómenos que vayan más allá del Modelo Estándar. El hallazgo anunciado aquí es más concreto y acotado: una desintegración rara predicha por la teoría vigente ha alcanzado el umbral de indicios, y su comportamiento medido permite a los investigadores restringir con más precisión las alternativas propuestas.
Puntos clave
- LHCb informó de los primeros indicios obtenidos por un único experimento de B0 → μ+μ−, tras una búsqueda iniciada en 1984.
- Los datos de 2024 y 2025 alcanzan tres desviaciones estándar; al combinarlos con las corridas anteriores, la significación sube a 3,2.
- El Modelo Estándar predice aproximadamente una desintegración de este tipo por cada 10.000 millones de desintegraciones B0.
- Las nuevas mediciones de desintegración concuerdan con el Modelo Estándar y reducen las posibilidades compatibles con la existencia de partículas adicionales.
- LHCb midió la vida media efectiva de la desintegración relacionada Bs0 en 1,60 ± 0,16 ± 0,01 picosegundos.
- El objetivo sigue siendo alcanzar cinco desviaciones estándar para observar la desintegración B0.
