Unha desintegración moi infrecuente foi observada por CMS

Transcript

1 Unha desintegración moi infrecuente foi observada por CMS Experimento CMS, CERN 19 Xullo 2013 CMS observou unha importante e pouco frecuente desintegración predita polo Modelo Estándar da física de partículas. A observación da desintegración de mesóns Bs en pares de muóns, que sae á luz despois dunha espera de aproximadamente 25 anos, será anunciada na conferencia bienal EPS- HEP en Estocolmo, Suecia. Por cada mil millóns de mesóns Bs producidos, só se espera que aproximadamente tres se desintegren nun par de muóns. Estas desintegracións son procesos idóneos para a busca de indicios de nova física: a desviación con respecto das predicións do Modelo Estándar (ME) indicarían a presenza de física alén do Modelo Estándar (BSM en inglés). CMS observa unha taxa de desintegración de x 10 9 a 4.3σ de significación [1], consistente coas predicións do Modelo Estándar de 3.6±0.3 x Esta significación estatística correspondese cunha probabilidade de 1 en de que a observación sexa causada por flutuacións aleatorias de procesos coñecidos. Imaxe 1: Un candidato de suceso Bs μμ medido no detector CMS no 2012, producido en colisións proton- proton a 8 TeV. Buscando algo novo Por tódalas predicións ó longo dos anos, sabemos que o exitoso Modelo Estándar das partículas está incompleto: non efrece unha explicación para a evidencia cosmolóxica da materia escura, e tampouco ofrece unha explicación para o dominio da materia sobre a anti- materia no Universo. Se a física alén do Modelo Estándar é

2 accesíbel, o LHC fará que apareza ante nos. CMS busca sistemáticamente indicacións de varias extensións propostas do Modelo Estándar. A desintegración de mesóns B (formados por un quark bottom e un quark máis lixeiro) en dous muóns (μ) é un lugar idóneo para buscar evidencias de física BSM. As desintegracións de dous tipos de mesóns B, B 0 (formado polo quark bottom e o quark down) e Bs (formado polo quark bottom e o quark strange), en pares de muóns, están moi desfavorecidas no Modelo Estándar, non obstante, varias extensións propostas do Modelo Estándar predín ou un significativo aumento, ou unha ainda maior supresión destas desintegracións. Se a medida da taxa de desintegración de calquera deles, fose inconsistente coa predición do Modelo Estándar, sería un claro sinal de física BSM. Ó longo de case 25 anos, unha ducia de experimentos en diferentes aceleradores de partículas, buscaron na procura destas escorregadizas desintegracións. Os límites establecidos melloraron en catro ordes de magnitude durante este período de tempo, mentres a sensibilidade se aproximaba ós valores preditos polo Modelo Estándar. No caso particular de Bs μμ, LHCb mostrou a primeira evidencia clara da existencia desta desintegración en novembro de 2012, cunha significacion estatística de 3.5σ. Imaxe 2: Historia das buscas de desintegracións de Bs e B 0 nos aceleradores actuais e precedentes, mostrando a mellora de catro ordes de magnitude. Non o bastante cubertos en B s A busca experimental destes procesos pouco frecuentes require atopar uns poucos sucesos de sinal entre unha cantidade enorme de sucesos de outros procesos coñecidos: só tres de cada mil millóns de mesóns Bs esperanse que se desintegren en dous muóns, a taxa é aínda mais pequena no caso do B 0. O primeiro obstaculo para atopar os escasos sucesos de sinal é a identificación de candidatos potenciais producidos nas colisións de proton- protón dentro do detector. CMS selecciona arredor de 400 dos mais interesantes sucesos cada segundo, dos que

3 arredor de 10 sucesos son validos para a busca de B μμ. Estes sucesos clasifícanse de acordo coas propiedades dos dous muóns, para rexeitar a maior cantidade posible doutros procesos coñecidos, mantendo a maioría dos sucesos de sinal. Ademais da busca de dous muóns producidos por desintegracións de B, CMS debe coñecer con razoable boa precisión, cantos mesóns B son producidos en total. Estes numeros contrástanse medindo outras desintegracións dos mesóns B 0, ben coñecidas. O primeiro sinal dun visitante esperado Imaxe 3: A distribución de masa de dous muóns. As curvas púrpura e vermella mostran os sinais de B 0 e Bs respectivamente, mentres as liñas de puntos, e as formas verde e negras mostran tres tipos diferentes de procesos coñecidos. As curvas sólidas mostran a suma das compoñentes do axuste. Os datos recollidos por CMS no 2011 e 2012, correspondentes a mostras de 4.9 fb 1 e 20.4 fb 1 (femtobarns inversos [2]) respectivamente, foron empregados nesta busca. A distribución da masa de dous muóns mostra un exceso de sucesos Bs μμ sobre os sucesos esperados, que se corresponde cunha taxa de desintegración de x 10 9, onde a incerteza ten en conta efectos estatísticos e sistemáticos. Esta observación ten unha significación estatística de 4.3σ. Un artigo científico describindo este resultado foi enviado á revista Physical Review Letters. A medida de Bs μμ feita por CMS, é consistente coa prediction do Modelo Estándar de 3.6±0.3 x 10 9, mostrando que o Modelo Estándar segue na súa liña de predicións exitosas. As taxas de desintegración de B 0 μμ tamen foron medidas. Non se se atopou evidencia desta desintegración e polo tando calculouse un límite

4 superior de 1.1 x 10 9 cun 95% de nivel de confianza [3], tamen consistente co Mondelo Estándar. Imaxe 4: Contornos en dúas dimensións mostrando a significación para as medidas de the Bs μμ e B 0 μμ. Os recadros mostran proxecións en unha dimensión, onde o mínimo da curva é o valor do mellor axuste para as taxas de desintegración e a intersección con cero no eixo- X mostra a significacion da medida. Cara onde nos diriximos agora? O entusiasmo desta extraordinaria medida ven acompañado dunha pequena cantidade de desalento para aqueles que buscan nova física. Gran parte do encanto desta canle de desintegración Bs μμ estaba no seu potencial de mostrar fisuras no Modelo Estándar. Non obstante, a historia esta lonxe de rematar. Mentres o LHC continue a proporcionar datos adicionais, a precisión coa que CMS, e outros experimentos, poden medir estas taxas de desintegración seguira mellorando de forma constante. Este incremento da precisión será útil para limitar as extensións viables do Modelo Estándar e pode incluso mostra- lo camiño cara o que hoxe esta alén dos horizontes de física de partículas. Ademáis, o novo periodo do LHC, que comeza no 2015, proporcionará o incremento de sensibilidade que CMS precisa para medir as taxas de B 0 μμ ó nivel das predicións do Modelo Estándar. A observación destas desintegracións pouco frecuentes do Bs é un gran fito neste camiño que comezou hai 25 anos. Non obstante, diante de nos agarda moito mais territorio inexplorado na física de partículas.

5 Acerca de CMS Mais información: ou contactar: CMS é un dos dous experimentos de propósito xeral no LHC que se construiron para a busca de nova física. Está deseñado para detectar un amplo espectro de partículas e fenómenos producidos nas colisións de alta enerxía protón- protón e ions pesados no LHC. Ademais de axudar a responder a cuestións como: De que está feito o Universo e cales son as forzas que actúan nel? e Qué é o que proporciona masa a todo?. CMS tamén medira propiedades de partículas ben coñecidas cunha precisión sen precedentes e estará alerta de novos e impreditos fenómenos. Este tipo de investigación non só aumenta o noso coñecemento do Universo, se non que pode provocar o desenrolo de novas tecnoloxías que cambien o mundo no que vivimos, como xa ocorreu en no pasado. O deseño conceptual de CMS ven do A contrucción deste detector xigantesco (15 m de diametro e case 29 m de longo, cun peso de toneladas) levou 16 anos de esforzo por parte dunha das mais grandes colaboracións científicas xamais formada: 3275 físicos (incluindo 1535 estudantes), mais de 790 enxeñeiros e tecnicos de 179 intitucións e laboratorios distribuidos en 41 países arredor do mundo. Referencias: [1] A desviación estándar proporciona a dispersión dun conxunto de datos arredor da sua media. Podese usar asimesmo para cuantificar o nivel de discrepancia dun conxunto de datos cunha hipótese dada. Os físicos miden desviacións estándar en unidades chamadas sigmas. Canto maior é o número de sigmas, maior é a incompatibilidade dos datos coa citada hipótese. Nun caso típico, canto mais inesperado é un descubrimiento, maior é o número de sigmas requerido para ser convincente [2] html [3] O nivel de confianza é unha medida estatística do porcentaxe de veces que se espera que os resultados de un test aparezan nun intervalo especificado previamente. Por exemplo, un nivel de confianza do 95% significa que o resultado dunha acción dada será probablemente o esperado un 95% das veces.