El experimento LHCb está diseñado para estudiar las partículas de sabor pesado que contienen quarks “b” (llamado belleza) y “c” (llamado encanto). Sin embargo, gracias a la gran producción de quarks “s” (extraños) en el LHC, así como a la capacidad de LHCb de reconstruir partículas de baja energía, el experimento también es capaz de producir resultados precisos en desintegraciones de quarks extraños, complementarios a los de experimentos específicos como NA62 y KOTO. La colaboración ha publicado recientemente un límite superior «a escala del billón» de la tasa a la que el kaón corto (la partícula con quark extraño K0S) se desintegra en cuatro muones (μ, una partícula similar al electrón, pero más pesada), siendo el primer resultado del LHC que alcanza dicha magnitud del uno por billón. El mismo conjunto de datos se utilizó para buscar la desintegración del kaón largo (K0L) también a cuatro muones, produciendo la mejor cota superior del mundo en dicha desintegración, y el primer resultado del LHC sobre una desintegración de kaones largos.
Según el Modelo Estándar (SM), los mesones K0S (K0L) decaen en cuatro muones a una tasa muy pequeña de unos pocos 10-14 (10-13). Las tasas de desintegración de estos procesos son muy sensibles a las posibles contribuciones de nuevas partículas aún por descubrir, como los llamados fotones oscuros, que podrían aumentar o suprimir significativamente la tasa de desintegración a través de la interferencia cuántica con la amplitud del SM. A pesar de la tasa de producción de mesones K0 sin precedentes en el LHC, la realización de esta búsqueda es un reto debido a la baja energía de los muones. El experimento LHCb explota su capacidad única para seleccionar, en tiempo real, muones de baja energía, una capacidad que ha mejorado en los últimos años gracias a la versatilidad de su sistema de selección de sucesos. El análisis utilizó software de aprendizaje automático para discriminar las partículas de larga vida del fondo combinatorio, así como un mapa detallado y basado en datos del material del detector alrededor del punto de interacción. La masa invariante del sistema de cuatro muones se utiliza como variable de control para separar estadísticamente la señal potencial del fondo combinatorio restante.
No se observó ningún evento seleccionado consistente con la desintegración de K0S en cuatro muones, que debería aparecer en la región alrededor de la masa de K0S de 498 MeV (ver imagen principal). En ausencia de una señal, los límites superiores de las respectivas fracciones de ramificación se establecen en 5,1 × 10-12 para el modo de desintegración del K0S y en 2,3 × 10-9 para el modo del K0L a un nivel de confianza del 90%. Estos resultados representan las búsquedas más precisas del mundo para estas desintegraciones, y la fracción de ramificación para K0S → μ+μ-μ+μ- es el límite superior más estricto para un modo de desintegración K0S.
El detector LHCb mejorado, que comenzó a tomar datos este año, ofrece excelentes oportunidades para mejorar aún más la precisión de la búsqueda y eventualmente encontrar evidencia de que esta desintegración se da en la naturaleza. Además del aumento de la cantidad de datos, la mejora del LHCb tiene un disparador totalmente programado, que se espera que mejore significativamente la eficiencia de las desintegraciones de K0 en cuatro muones y otras desintegraciones con partículas de estado final con muy baja energía.
El análisis de datos fue realizado por científicos del IGFAE, siendo los autores principales Miguel Fernández Gómez y Diego Martínez Santos, quienes lo presentaron en la conferencia KAON-2022 (Osaka). El estudio ha sido destacado en el boletín del CERN Courier de este mes, al ser la primera vez que el LHC logra un resultado con la precisión al nivel del uno por billón. Esta precisión ha sido posible gracias a las mejoras en el sistema de selección de sucesos llevadas a cabo por el proyecto Starting Grant ERC-StG-639068.
Imagen principal: El investigador predoctoral Miguel Fernández Gómez presentando este trabajo en el KAON-2022.
Referencias: LHCb Collab. 2022 LHCb-PAPER-2022-035
