O experimento LHCb está deseñado para estudar as partículas de sabor pesado que conteñen quarks “b” (chamado beleza) e “c” (chamado encanto). Con todo, grazas á gran produción de quarks “s” (estraños) no LHC, así como á capacidade de LHCb de reconstruír partículas de baixa enerxía, o experimento tamén é capaz de producir resultados precisos en desintegracións de quarks estraños, complementarios aos de experimentos específicos como NA62 e KOTO. A colaboración publicou recentemente un límite superior “a escala do billón” da taxa á que o kaón curto (a partícula con quark estraño K0S) se desintegra en catro muóns (μ, unha partícula similar ao electrón, pero máis pesada), sendo o primeiro resultado do LHC que alcanza dita magnitude do un por billón. O mesmo conxunto de datos utilizouse para buscar a desintegración do kaón longo (K0L) tamén a catro muóns, producindo a mellor cota superior do mundo na devandita desintegración, e o primeiro resultado do LHC sobre unha desintegración de kaóns longos.
Segundo o Modelo Estándar (SM), os mesóns K0S (K0L) decaen en catro muóns a unha taxa moi pequena duns poucos 10-14 (10-13). As taxas de desintegración destes procesos son moi sensibles ás posibles contribucións de novas partículas aínda por descubrir, como os chamados fotóns escuros, que poderían aumentar ou suprimir significativamente a taxa de desintegración a través da interferencia cuántica coa amplitude do SM. A pesar da taxa de produción de mesóns K0 sen precedentes no LHC, a realización desta procura é un reto debido á baixa enerxía dos muóns. O experimento LHCb explota a súa capacidade única para seleccionar, en tempo real, muóns de baixa enerxía, unha capacidade que mellorou nos últimos anos grazas á versatilidade do seu sistema de selección de sucesos. A análise utilizou software de aprendizaxe automática para discriminar as partículas de longa vida do fondo combinatorio, así como un mapa detallado e baseado en datos do material do detector ao redor do punto de interacción. A masa invariante do sistema de catro muóns utilízase como variable de control para separar estatisticamente o sinal potencial do fondo combinatorio restante.
Non se observou ningún evento seleccionado consistente coa desintegración de K0S en catro muóns, que debería aparecer na rexión ao redor da masa de K0S de 498 MeV (ver gráfico). En ausencia dun sinal, os límites superiores das respectivas fraccións de ramificación establécense en 5,1 × 10-12 para o modo de desintegración do K0S e en 2,3 × 10-9 para o modo do K0L a un nivel de confianza do 90%. Estes resultados representan as procuras máis precisas do mundo para estas desintegracións, e a fracción de ramificación para K0S → μ+μ-μ+μ- é o límite superior máis estrito para un modo de desintegración K0S.
O detector LHCb mellorado, que comezou a tomar datos este ano, ofrece excelentes oportunidades para mellorar aínda máis a precisión da procura e eventualmente atopar evidencia de que esta desintegración dáse na natureza. Ademais do aumento da cantidade de datos, a mellora do LHCb ten un disparador totalmente programado, que se espera que mellore significativamente a eficiencia das desintegracións de K0 en catro muóns e outras desintegracións con partículas de estado final con moi baixa enerxía.
A análise de datos foi realizado por científicos do IGFAE, sendo os autores principais Miguel Fernández Gómez e Diego Martínez Santos, quen o presentou na conferencia KAON-2022 (Osaka). O estudo foi destacado no boletín do CERN Courier deste mes, ao ser a primeira vez que o LHC logra un resultado coa precisión ao nivel do un por billón. Esta precisión foi posible grazas ás melloras no sistema de selección de sucesos levadas a cabo polo proxecto Starting Grant ERC-StG-639068.
Imaxe principal: O investigador predoutoral Miguel Fernández Gómez presentando este traballo no KAON-2022.
Referencias:
LHCb Collab. 2022 LHCb-PAPER-2022-035
