Un fuego artificial estalla y un solo punto se dispersa en cuatro chispas. Algo similar hace el bosón Z —la partícula que transmite la interacción débil— cuando se desintegra en cuatro leptones cargados (electrones o muones). El proceso es extremadamente raro: por cada millón de bosones Z producidos, solo ocurren unos cinco de estos sucesos.
En el Gran Colisionador de Hadrones, en el detector CMS, los protones chocaron a gran velocidad y, entre los escombros, los físicos buscaron precisamente estos «fuegos artificiales de cuatro leptones». Durante dos períodos de funcionamiento a energías de 8 y 13 TeV, acumularon datos correspondientes a 19.7 y 138 femtobarns inversos (esta medida indica cuántas colisiones ocurrieron en total). Como resultado, la probabilidad total de la desintegración Z → 4ℓ se midió con una precisión del 3%: [4.67 ± 0.11 (est.) ± 0.10 (sist.)] × 10⁻⁶. También se calcularon por separado las combinaciones: Z → 4μ, Z → 4e y Z → 2μ2e.
El verdadero interés no estaba en la probabilidad en sí. Los físicos estudiaron cómo se dispersan los productos de la desintegración en el espacio: ángulos, energías y orientaciones relativas. Prestaron especial atención a las asimetrías triples —magnitudes que cambian de signo bajo reflexión especular y al reemplazar partículas por antipartículas. Desviaciones notables de cero indicarían una violación de la invariancia CP, uno de los principios fundamentales del modelo estándar. Los resultados se compararon con las predicciones teóricas y no se encontraron discrepancias. En cambio, se establecieron límites a la posible existencia de nuevas partículas pesadas, como bosones de gauge adicionales que podrían interferir en esta desintegración.
Este fuego artificial no es solo un espectáculo bonito. Es una prueba ultrasensible de nueva física: cualquier traza de fuerzas desconocidas alteraría el patrón de dispersión de las partículas. Por ahora todo está limpio, pero la precisión de las mediciones ya se acerca al nivel donde podrían aparecer las tan esperadas sorpresas. Y entonces, cuatro chispas nos contarán algo del mundo que aún no sabemos.
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2605.25158
Decays of Z bosons to four charged leptons (electrons and muons) are studied in proton-proton collisions at $$\sqrt{s}$$ = 8 and 13 TeV. The analysis is based on data collected with the CMS detector at the LHC corresponding to an integrated luminosity of 19.7 fb$$^{-1}$$ at 8 TeV and 138 fb$$^{-1}$$ at 13 TeV. The measured value of the inclusive branching fraction for all four-lepton decay modes, $$\mathcal{B}$$(Z $$\to$$ 4$$\ell$$), is [4.67 $$\pm$$ 0.11 (stat) $$\pm$$ 0.10 (syst)] $$\times$$ 10$$^{-6}$$, which has a precision of about 3% limited by both statistical and systematic uncertainties. Measurements of the individual branching fractions for the decays Z $$\to$$ 4$$\mu$$, Z $$\to$$ 4e, and Z $$\to$$ 2$$\mu$$2e are also reported. Differential decay rates are presented as functions of kinematic and angular quantities in the Z boson rest frame. Measurements of triple-product asymmetries, which are sensitive to possible violations of charge conjugation and parity invariance, are performed for Z $$\to$$ 4$$\ell$$ decays. The results are compared with standard model predictions and used to set limits on the production of new gauge bosons.
La probabilidad de que el bosón Z se desintegre en cuatro leptones es aproximadamente cien veces menor que en dos leptones, y un millón de veces menor que en hadrones (partículas compuestas de quarks).