El Gran Colisionador de Hadrones revela comportamientos extraños en partículas

Los científicos del CERN han hecho un descubrimiento significativo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que podría desafiar la teoría estándar de la física, la cual ha sido la base del entendimiento de las partículas y fuerzas fundamentales en el universo durante más de 50 años. Al estudiar transformaciones raras de partículas, conocidas como "decay penguin", los investigadores encontraron comportamientos que no se alinean completamente con las predicciones teóricas, lo que abre la puerta a la posibilidad de nuevas partículas o fuerzas que aún no se han identificado.

El LHC, un acelerador de partículas ubicado en un túnel circular de 27 kilómetros bajo la frontera franco-suiza, tiene como objetivo principal investigar las limitaciones de la teoría estándar. Esta teoría, aunque ha sido exitosa, no logra explicar fenómenos como la gravedad o la materia oscura, que constituyen aproximadamente el 25% del universo.

En el experimento LHCb, se analizaron colisiones de protones que viajan en direcciones opuestas, buscando indicios de física no descubierta. El resultado más reciente provino del estudio de la descomposición de partículas subatómicas llamadas B mesones. Los investigadores observaron que la manera en que estos mesones se descomponen en otras partículas no coincide con las predicciones del modelo estándar.

Un modelo elegante

La teoría estándar se basa en dos de los avances más importantes de la física del siglo XX: la mecánica cuántica y la relatividad especial de Einstein. A pesar de los rigurosos tests realizados durante más de 50 años, los físicos de partículas no habían encontrado hasta ahora ninguna discrepancia significativa en esta teoría, hasta ahora.

El estudio, que fue aceptado para publicación en Physical Review Letters, mostró una tensión de cuatro desviaciones estándar respecto a las expectativas del modelo estándar. Esto significa que, considerando las incertidumbres de los resultados experimentales y las predicciones teóricas, hay solo una en 16,000 posibilidades de que una fluctuación aleatoria en los datos sea tan extrema si el modelo estándar fuera correcto.

Aunque esta evidencia no alcanza el estándar de oro de la ciencia, conocido como cinco sigma, que implica una probabilidad de una en 1.7 millones, los resultados comienzan a acumularse. Aportando a esta narrativa convincente están los resultados de otro experimento del LHC, CMS, que fueron publicados a principios de 2025 y que, aunque menos precisos, coinciden bien con los hallazgos del LHCb.

Eventos raros

El término "penguin" se refiere a un tipo específico de descomposición de partículas de vida corta. En este caso, se estudió cómo un B mesón se descompone en cuatro partículas subatómicas: un kaón, un pion y dos muones. Las mediciones de esta descomposición son extremadamente raras en el modelo estándar: de cada millón de B mesones, solo uno se descompone de esta manera. Los investigadores analizaron cuidadosamente los ángulos y energías en los que se producen estas partículas durante la descomposición, encontrando discrepancias significativas con las predicciones del modelo estándar.

Las investigaciones precisas sobre descomposiciones como esta han sido uno de los objetivos principales del experimento LHCb desde su inicio en 1994. Estos procesos son especialmente sensibles a los efectos de nuevas partículas que podrían ser muy pesadas y que no se pueden crear directamente en el LHC. Sin embargo, estas partículas pueden ejercer una influencia medible sobre estas descomposiciones.

Direcciones futuras

Los estudios sobre procesos raros permiten explorar aspectos de la naturaleza que podrían ser accesibles solo a través de colisionadores de partículas planificados para la década de 2070. Existen diversas teorías potenciales que pueden explicar estos hallazgos, muchas de las cuales incluyen partículas nuevas llamadas "leptoquarks" que unifican dos tipos diferentes de materia: "leptones" y "quarks".

A pesar de la emoción generada por estos hallazgos, quedan preguntas teóricas abiertas que impiden afirmar de manera definitiva que se ha observado física más allá del modelo estándar. La combinación de un modelo teórico y datos experimentales del LHCb sugiere que ciertas contribuciones presentes en el modelo estándar, conocidas como "charming penguins", son difíciles de predecir y no son lo suficientemente grandes para explicar los datos anómalos observados.

Los nuevos datos recolectados permitirán confirmar la situación en los próximos años. En el trabajo actual, se estudiaron aproximadamente 650 mil millones de descomposiciones de B mesones registradas entre 2011 y 2018 para encontrar estas descomposiciones. Desde entonces, el experimento LHCb ha registrado tres veces más B mesones.

Se planean avances adicionales para la década de 2030 que aprovecharán las futuras actualizaciones del LHC y acumularán un conjunto de datos 15 veces más grande. Este paso final permitirá hacer afirmaciones definitivas, potencialmente desbloqueando una nueva comprensión de cómo funciona el universo a nivel elemental.