La colaboración Belle II acaba de publicar sus primeros resultados en la revista internacional Physical Review Letters. Dicho artículo presenta la búsqueda de un nuevo tipo de partícula elemental que pudiera actuar como nexo entre la materia ordinaria y la materia oscura.

El experimento Belle II, que opera en el colisionador electrón-positrón SuperKEKB (Tsukuba, Japón) ha comenzado la búsqueda de una hipotética nueva partícula llamada Z’ que podría actuar como un nexo entre la materia ordinaria y la materia oscura. Los datos recogidos por Belle II muestran que, aun no habiendo descubierto evidencia de dicha partícula, se pueden establecer ciertos límites a sus propiedades.

En los últimos años, las observaciones cosmológicas sugieren que solamente conocemos el 15% de la masa del universo, mientras que el 85% restante está compuesto de algún tipo de partícula misteriosa y todavía desconocida denominada materia oscura. Debido a su gran interés, una parte importante de la comunidad científica, incluyendo al experimento Belle II, intenta buscar evidencias de tal ansiado tipo de materia.

El denominado bosón Z’ es uno de los candidatos teóricos que podrían conectar la materia oscura con nuestro mundo ordinario. Su descubrimiento podría solucionar ciertos problemas existentes en la física de partículas en relación al comportamiento de la materia oscura y resolver algunas anomalías observadas en otros experimentos que no pueden ser explicados por el Modelo Estándar de la física de partículas.

El bosón Z’, en caso de existir, podría producirse en colisiones de electrones con positrones en el acelerador SuperKEKB, y subsecuentemente decaer en partículas invisibles de materia oscura (Figura 1. Imagen generada por ordenador de un evento simulado en el cual un bosón Z’ es producido en colisiones electrón-positrón, asociado a dos muones, en color verde en la figura, y cuyo decaimiento se produce a partículas invisibles. En esta figura, el bosón Z’ decae a un neutrino y un anti-neutrino que escapan del detector, pero el modo de decaimiento puede incluir también partículas y anti-partículas de antimateria).

Tanto modelos teóricos como simulaciones detalladas predicen que Belle II podría detectar una señal de que dichos bosones Z’ se producen en colisiones e⁺e^- analizando posibles excesos de señal que contengan un par de muones de carga opuesta. Hasta el momento, los datos analizados (Figura 2) muestran que no existe tal incremento. A medida que se continúe la toma de datos, se procederán a realizar búsquedas adicionales para bien confirmar la existencia de un bosón Z’ que interaccione débilmente o bien descartarlo completamente.

Figura 2: Masa de los candidatos a Z’ (puntos en negro) comparada con los eventos de fondo esperados (histogramas de colores), en una escala semilogarítmica. Aunque las partículas de materia oscura no pueden ser observadas directamente en el experimento, la masa de los candidatos se puede determinar mediante las masas y los momentos del resto de partículas producidas en la colisión simultáneamente con el candidato Z’. La presencia de un bosón Z’ aparecería como un exceso pronunciado de los datos con respecto a los fondos. Como se puede apreciar, no existe tal estructura en los datos analizados.

Este primer resultado de física se ha obtenido analizando una pequeña parte de los datos recolectados durante el proceso de puesta en marcha del acelerador SuperKEKB en 2018. Desde 2019, tanto el acelerador como el detector Belle II están funcionando a pleno rendimiento y la toma de datos continúa, lo que permitirá profundizar en los estudios de la materia oscura y búsqueda de nuevas partículas fundamentales así como medidas de precisión que ayudarán a esclarecer las leyes fundamentales de la Naturaleza.

Entre las nuevas tecnologías desarrolladas para Belle II está DEPFET, un nuevo tipo de detector en cuyo diseño, construcción, instalación y operación participa el Instituto de Física Corpuscular. El IFIC participa desde hace más de una década en el desarrollo de este tipo de detector, coordinando primero las pruebas con haces de partículas y luego la estrategia de refrigeración del detector. Además, el IFIC ha diseñado y producido la electrónica para comprobar el correcto funcionamiento de los diferentes módulos de DEPFET una vez ensamblados. Carlos Mariñas, investigador de la Universidad de Bonn formado en el IFIC, ha sido responsable de la operación de Belle II. Se incorporó al IFIC gracias a un contrato del Programa para el apoyo a personas investigadoras con talento (Plan GenT) de la Conselleria d' Educació, Investigació, Cultura i Esport de la Generalitat Valenciana.

Referencias:

"Search for an Invisibly Decaying Z′ Boson at Belle II in e+e−→μ+μ−(e±μ∓) Plus Missing Energy Final States", I. Adachi et al. (Belle II Collaboration). Phys. Rev. Lett. 124, 141801 – Published 6 April 2020.

Synopsis: Closing in on the Z′ Boson, Physics

First physics for Belle II, CERN Courier

Fuente: "Belle II explores new 'portal' into dark matter - First results from the Belle II Experiment" (KEK)