CMS mide seis transformaciones raras de quarks y afina una prueba del Modelo Estándar

Una transformación que se produce aproximadamente una vez cada diez millones de desintegraciones puede parecer un detalle minúsculo. Para la física de partículas, en cambio, es una oportunidad: cuanto más infrecuente es un proceso, más fácil puede ser detectar la influencia de algo que no encaje con la teoría vigente. El experimento CMS, instalado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, acaba de medir en conjunto seis de esas transformaciones raras con una precisión mayor que la de sus análisis anteriores.

El trabajo sigue a partículas que contienen un quark belleza —también llamado quark bottom— cuando terminan produciendo un quark extraño y un par formado por un muón y su antimateria. En el Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas conocidas y sus interacciones, esa transformación no puede ocurrir de manera directa: solo aparece a través de efectos cuánticos intermedios. Esa condición la vuelve especialmente sensible a posibles aportes de partículas o fuerzas todavía desconocidas.

CMS estudió seis rutas de desintegración de hadrones con quark belleza registrados en colisiones protón-protón entre 2022 y 2024. En lugar de analizar cada ruta por separado, ajustó todas las muestras de forma simultánea. Así pudo tratar de manera coherente señales de fondo y fuentes de incertidumbre que las seis mediciones comparten. El conjunto reúne 172 femtobarns inversos de datos tomados a 13,6 teraelectronvoltios, la energía a la que funcionó el LHC durante ese período.

Una pieza importante fue un nuevo filtro de eventos, llamado disparador, que decide en tiempo real qué colisiones vale la pena conservar. Al seleccionar de forma más eficiente las colisiones con dos muones, el experimento reunió una muestra mucho más útil de estos sucesos escasos. Con ella calculó la frecuencia de cada transformación según la energía compartida por el par de muones y comparó los resultados con predicciones teóricas.

Las seis frecuencias medidas siguen un patrón que ya había aparecido en estudios previos: quedan por debajo de varias predicciones del Modelo Estándar. En algunas rutas la diferencia es pequeña y en otras, como la que produce una partícula llamada phi, el valor continúa por debajo de las bandas teóricas consideradas. Sin embargo, las diferencias individuales no alcanzan para establecer la existencia de una partícula nueva. También importa que las predicciones tienen sus propias incertidumbres, vinculadas a cómo se calculan los efectos de los quarks dentro de los hadrones.

El análisis incluyó otra comprobación: comparó ciertas desintegraciones de partículas cargadas y neutras, una diferencia conocida como asimetría de isoespín. En ese caso, los datos fueron compatibles con lo esperado por el Modelo Estándar. El resultado, presentado por CMS como una nota preliminar, no resuelve la pregunta sobre si hay física más allá de esa teoría, pero reduce los márgenes de error y hace más exigente la comparación entre mediciones y cálculos.

La relevancia de esta clase de estudios está menos en una señal aislada que en la posibilidad de verificarla por distintas rutas. Si el mismo patrón persiste al sumar más datos, mejorar los cálculos y compararlo con otros experimentos del LHC, ganará peso. Si desaparece, la medición habrá mostrado con mayor claridad hasta dónde describe bien el Modelo Estándar uno de los procesos más raros que se pueden observar en el acelerador.