Una estación de tren ruidosa en hora punta. Miles de personas se apresuran, las voces se funden en un murmullo. Y en algún lugar de esa multitud, dos personas intentan darse la mano con un gesto especial, casi imperceptible. Notar ese apretón de manos es casi imposible. Con una tarea así se encontraron los físicos en el Gran Colisionador de Hadrones cuando decidieron buscar partículas nuevas en la región de masas de 20 a 60 GeV (para comparar, la masa del protón es de aproximadamente 1 GeV).
Antes, este rango era una «zona ciega»: las señales de partículas ligeras se ahogan en el fondo, como un susurro en un concierto de rock. Para oír el susurro, los científicos construyeron un «audífono» especial: un algoritmo que extrae del revoltijo de datos las huellas de los tau leptones. El tau leptón es un pariente corpulento del electrón que vive solo un instante y se desintegra en una lluvia de otras partículas. Captar esa lluvia, y encima cuando el tau leptón nació casi sin movimiento, es una tarea al borde de la fantasía.
El nuevo enfoque funcionó: los físicos no solo oyeron el susurro, sino que distinguieron las palabras. Lograron registrar el nacimiento de los mesones ípsilon, conocidos desde hace tiempo, que se desintegran en un par de tau leptones. La señal fue tan limpia que su significancia sobre el fondo alcanzó 5,8 sigma, algo así como lanzar una moneda y obtener cara 20 veces seguidas. Pero no se detectó ningún invitado nuevo y no deseado en ese rango de masas.
La ausencia de hallazgos también es un resultado. Delimita la frontera detrás de la cual las partículas nuevas no pueden esconderse: su nacimiento con posterior desintegración en dos tau leptones debe ocurrir con menos frecuencia que 40–400 eventos por cada cien mil millones de colisiones. Ahora sabemos dónde no buscar y podemos enfocar la atención en otros escondites. Y la ruidosa estación se ha vuelto un poco más comprensible, y esto es solo el comienzo.
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2605.25103
An inclusive search is presented for spin-zero bosons decaying to $$\tau\tau$$ in a previously unexplored mass range between 20 and 60 GeV using proton-proton collision data at $$\sqrt{s}$$ = 13.6 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 61.9 fb$$^{-1}$$ recorded by CMS in 2022$$-$$2023. A high-rate trigger stream in combination with a novel low-momentum hadronic tau reconstruction algorithm have enabled a measurement of the $$\Upsilon$$(1S,2S,3S) $$\to$$ $$\tau^+\tau^-$$ process in the challenging environment of a hadron collider, with a 5.8$$\sigma$$ significance above background and production cross section of 3.5 $$\pm$$ 0.7 (stat) $$\pm$$ 0.7 (syst) nb for visible rapidity $$\lvert y_{\text{vis}}\rvert$$ $$\lt$$ 1.2 and visible transverse momentum $$p_\mathrm{T}^\text{vis}$$ $$\gt$$ 15 GeV. No significant excess above the standard model background is observed. Upper limits on the product of the spin-zero resonance production cross section and branching fraction to $$\tau\tau$$ are set at 95% confidence level between 40 and 400 pb.
El tau leptón fue descubierto en 1975 y se convirtió en el primer representante de la tercera y más pesada generación de partículas. Su hallazgo fue tan inesperado que el premio Nobel Isidor Isaac Rabi, al enterarse del muón (partícula de la segunda generación), exclamó: «¿Quién ha pedido esto?», y ahora aparecía también el tau.
En la novela «El problema de los tres cuerpos» de Liu Cixin, los extraterrestres utilizan protones desplegados en el espacio para interferir en los aceleradores. Los físicos reales, por el contrario, aprenden a extraer de las colisiones de protones señales cada vez más sutiles.