Décadas de ingeniosos avances teóricos e importantes descubrimientos experimentales condujeron a proponer, a principios de los años 70 del siglo pasado, el Modelo Estándar de la física de partículas. Este marco teórico describe las propiedades de las partículas elementales conocidas, así como la forma en que interaccionan entre ellas para dar lugar al mundo que conocemos, siendo el reciente descubrimiento del bosón de Higgs el último de una larga lista de triunfos. Sin embargo, ¿es posible que el LHC haya encontrado evidencias en su contra?

Podemos encontrar diferentes tipos de partículas en el Modelo Estándar. De entre ellos, los fermiones son los ladrillos constituyentes de la materia. Curiosamente, y aunque desconocemos la razón fundamental para ello, existen tres copias de cada fermión, siendo la masa la única diferencia entre ellas. Esto permite agrupar los fermiones del Modelo Estándar en tres "sabores" o "generaciones", términos que los físicos han introducido para designar a cada una de las tres copias. Por ejemplo, el electrón, un fermión con carga eléctrica negativa y que no participa en las interacciones fuertes, cuenta con dos hermanos más pesados: el muón y el tau. La masa del electrón es de unos 511 keV, mientras que la del muón es de 106 MeV y la del tau de unos 1.8 GeV. No obstante, el resto de sus propiedades son exactamente iguales.

Como la única diferencia entre los fermiones de diferentes generaciones es la masa, no es posible distinguir entre unos sabores u otros en aquellos procesos físicos en los que masa no juegue un papel relevante. Esta propiedad fundamental del Modelo Estándar se conoce como universalidad. En particular, en el caso del electrón, el muón y el tau se suele hablar de universalidad leptónica, puesto que a estas tres partículas se las conoce como leptones.

En un intento por explorar los límites del Modelo Estándar, diversos experimentos han buscado durante décadas procesos que no respeten la universalidad leptónica. Sin embargo, ésta se ha mantenido firme hasta 2014, año en el que la colaboración LHCb, en la que participan varios investigadores del IFIC, anunció la observación de un efecto que ha atraído una enorme atención en la comunidad. Se trata de la medida del observable R_K, definido como el cociente entre el número de veces que un mesón B se desintegra a un mesón K y un par de muones y el número de veces que dicho mesón se desintegra a un mesón K y un par de electrones. Según el Modelo Estándar dicho cociente debe ser igual a 1, tal y como la universalidad leptónica predice: en ausencia de alguna propiedad diferente entre los electrones y los muones, el mesón B no debería tener ninguna predilección por producir unos o los otros. Sin embargo, tras analizar los datos obtenidos en los primeros 5 años de funcionamiento del LHC, la colaboración LHCb ha encontrado un valor de R_K de 0.745, en clara tensión con el Modelo Estándar, siendo la significación estadística de esta discrepancia unos 2.6 σ.

Más recientemente, ya en el año 2015, LHCb ha vuelto a publicar resultados en conflicto con la universalidad leptónica a través de su medida del observable R(D*). El valor obtenido para este observable, de nuevo relacionado con desintegraciones de mesones B, discrepa una vez más con la predicción del Modelo Estándar y la universalidad leptónica. Curiosamente, el resultado de LHCb va en la misma dirección de otras medidas realizadas previamente por los experimentos Belle y BaBar, los cuales también encontraron un valor de R(D*) diferente del predicho por el Modelo Estándar.

Es demasiado pronto para afirmar que la universalidad leptónica se encuentra rota. Para ello es necesario acumular más datos y así confirmar que no se trata de una desafortunada fluctuación estadística. Sin embargo, si estos resultados alcanzaran mayor significación estadística las implicaciones serían de gran alcance. La confirmación definitiva de la violación de la universalidad leptónica sería una evidencia inapelable de que el Modelo Estándar es una teoría incompleta, siendo necesaria una extensión con nuevas partículas y/o interacciones para así explicar las observaciones en cuestión. En particular, un nuevo bosón Z' sería un excelente candidato para explicar el valor anómalo de R_K, mientras que un hipotético leptoquark, o tal vez otras partículas con carga eléctrica, podrían dar cuenta de la anomalía observada en el observable R(D*). Varios investigadores del IFIC han trabajado recientemente en estas emocionantes alternativas, tanto proponiendo modelos específicos como explorando las posibles conexiones que la violación de universalidad podría tener con otras áreas tan relevantes como la física de neutrinos, la existencia de bosones de Higgs adicionales o la materia oscura. ¿Podría ser la violación de la universalidad leptónica nuestra ventana hacia una nueva física?

“Test of lepton universality using B⁺ → K⁺ l⁺ l^– decays”, LHCb Collaboration. Phys.Rev.Lett. 113 (2014) 15, 151601, arXiv:1406.6482

“Measurement of the ratio of branching fractions B(B⁰ → D*⁺ τ^– ντ) / B(B⁰ → D*⁺ μ^– νμ)”, LHCb Collaboration. Phys.Rev.Lett. 115 (2015) 111803, arXiv:1506.08614

“Shedding light on the b → s anomalies with a dark sector”, D. Aristizábal Sierra, F. Staub, A. Vicente. Phys.Rev. D92 (2015) 1, 015001, arXiv:1503.06077

“Are the B decay anomalies related to neutrino oscillations?”, S. Boucenna, J. W. F. Valle, A. Vicente. Phys.Lett. B750 (2015) 367, arXiv:1503.07099

“Family nonuniversal Z′ models with protected flavor-changing interactions”, A. Celis, J. Fuentes-Martín, M. Jung, H. Serodio. Phys.Rev. D92 (2015) 1, 015007, arXiv:1505.03079