LHCb observa la asimetría CP en bariones bellos Λ⁰b

La interacción débil incumple la simetría CP, como se observó en 1964 en mesones extraños (kaones neutros), Premio Nobel de 1980; también se observó en 2001 en mesones bellos (mesones B neutros) y en 2019 en mesones encantados (mesones D neutros). El detector LHCb del LHC (CERN) la observa por primera vez en bariones, en concreto, en bariones bellos lambda neutros, formados por tres quarks de valencia (udb). Se ha comparado la desintegración del barión Λ⁰b → p K⁻ π⁺ π⁻, con la misma desintegración de su antipartícula, encontrando que el número de desintegraciones observadas de N(partícula) = (4.184 ± 0.025) × 10⁴ y N(antipartícula) = (3.885 ± 0.023) × 10⁴, se diferencian en un (3.71 ± 0.39) %, lo que implica una asimetría A(CP) = (2.45 ± 0.46 ± 0.10) %, diferente de cero a 5.2 desviaciones estándares. Un gran descubrimiento que antecede la observación de la asimetría CP en muchos bariones.

Siendo una predicción del modelo estándar que la asimetría CP en mesones implica su existencia en bariones, gracias al mecanismo de Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (CKM), este resultado ha costado muchos más años de los esperados. De hecho, como para el mesón bello B⁰s → K⁻ π se observó una asimetría CP del (23.6 ± 1.7) %, se esperaba una asimetría similar en la desintegraión del barión Λ⁰b → p K⁻, o Λ⁰b → p π⁻, que no ha sido observada, al menos por encima del 0.7 %. De la misma forma, para el mesón bello B⁺ → π⁺π⁻π⁺ se observa una asimetría del 75 %, mientras que no se observa ninguna en Λ⁰b → p K⁺ K⁻ por debajo del 20 % (con 3.1 desviaciones estándares). Tampoco se ha observado en bariones extraños, ni en bariones encantados. Todavía no se entiende la causa. La asimetría en el barión Λ⁰b se puede calcular en diferentes regiones del espacio de fases; por ejemplo, para Λ⁰b → R(p π⁺ π⁻) K⁻, se observa A(CP) = (5.4 ± 0.9 ± 0.1) %, una diferencia respecto a cero a 6.0 desviaciones estándares; también tiene alta significación para Λ⁰b → R(p K⁻) R(π⁺ π⁻), en la que se observa A(CP) = (5.3 ± 1.3 ± 0.2) % (y hay otras).

Sin lugar a dudas un hito esperado, pero que es una gran noticia porque ha tardado mucho más tiempo en lograrse de lo que se pensaba. El artículo es LHCb collaboration, «Observation of charge-parity symmetry breaking in baryon decays,» LHCb-PAPER-2024-054, CERN-EP-2025-031, arXiv:2503.16954 [hep-ex] (21 Mar 2025), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.16954.

Como muestran estos diagramas de Feynman, la desintegración Λ⁰b → p K⁻ π⁺ π⁻ puede ocurrir a nivel de árbol (tree), vía un bosón W⁻ (usando los valores Vub y V*ud de la matriz CKM), a través de (ud)b → (ud)uW⁻ → (uud) (su), o sea, Λ⁰b → p K⁻, con gluones dando lugar a un par π⁺ π⁻, o a nivel del primer lazo (loop), vía un lazo tW⁻ (usando los valores Vtb y V*td), a través de (ud)b → (ud)dt → (uud) (ud), o sea, Λ⁰b → p π⁻, con gluones dando lugar a un par π⁺ K⁻. Así, la asimetría CP requiere la desintegración de un barión en un barión y un mesón, acompañada de un par mesón-antimesón. En los próximos años se observará la asimetría CP también en la desintegración Λ⁰b → p π⁻ K⁺ K⁻ (aunque es menos probable).

El origen de la asimetría CP es la interferencia cuántica entre los dos tipos de desintegración débil tipo Λ⁰b → p π⁻ K⁺ K⁻, tanto a nivel de árbol como a nivel de lazo, cuyas fases debidas a la interacción débil (ϕ) tienen signos opuestos, aunque sus fases debidas a la interacción fuerte (δ) tienen el mismo signo. Como muestra la fórmula en la figura, el resultado es un término de interferencia cuántica que depende de las diferencias de fases débiles (Δϕ) y fuertes (Δδ). Procesos similares son los responsables de la asimetría CP entre mesones.

Una observación a cinco sigmas siempre es visible a simple vista. Esta magnífica figura de LHCb la muestra fuera de toda duda. En el eje de abscisas tenemos la masa invariante para los cuatro productos de la desintegración (protón, kaón negativo, y par pión-antipión para la partícula a la izquierda, y antiprotón, kaón positivo, y par pión-antipión para la antipartícula a la derecha). La fórmula en la parte superior es la usada para estimar la asimetría A(CP) a partir de los números de desintegraciones sobre el fondo (background).

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