ATLAS y CMS buscan pistas sobre la asimetría materia-antimateria con el bosón de Higgs

La asimetría carga-paridad, también conocida como asimetría CP o violación CP, permite explicar por qué existe mucha más materia que antimateria en nuestro universo actual, a pesar de que ambas formas de materia deberían haberse creado por igual en el Big Bang. La asimetría CP fue descubierta por James Cronin y Val Fitch en 1964, quienes recibieron el Premio Nobel por este hallazgo en 1980.

El Modelo Estándar de la física de partículas, la teoría que mejor describe los componentes de la materia y sus interacciones, predice la existencia de fuentes que originan esta asimetría CP, y algunas de ellas ya han sido confirmadas experimentalmente. Sin embargo, estas fuentes contempladas en el Modelo Estándar generan colectivamente una cantidad de asimetría CP demasiado pequeña para explicar el desequilibrio materia-antimateria que observamos en el universo, lo que lleva a la comunidad científica a buscar nuevas fuentes de asimetría CP.

En dos investigaciones recientes e independientes, las colaboraciones internacionales ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN han recurrido al bosón de Higgs, descubierto hace diez años, para ver si esta partícula tan única y especial esconde una nueva fuente desconocida de asimetría CP.

Los equipos de ATLAS y CMS ya han buscado anteriormente -sin éxito- asimetría CP en las interacciones del bosón de Higgs con otros bosones, así como con la partícula fundamental más pesada conocida, el quark top. En sus últimos estudios, ATLAS y CMS han buscado esta asimetría en la interacción entre el bosón de Higgs y el leptón tau, una versión más pesada del electrón.

Para buscar esta asimetría, ATLAS y CMS han analizado los datos extraídos de colisiones protón-protón, registrados durante el segundo ciclo del LHC (Run 2, 2015-2018), en busca de bosones de Higgs 'desintegrados' en pares de leptones tau. A continuación, han estudiado el movimiento y cinemática de esa desintegración, que depende de un ángulo llamado 'ángulo de mezcla' (mixing angle, en la jerga anglosajona de la física de partículas), el cual cuantifica la cantidad de asimetría CP que hay en la interacción entre el bosón de Higgs y el leptón tau.

En el Modelo Estándar, el ángulo de mezcla es cero y, por tanto, no hay violación de la simetría CP en las interacciones, es decir, todas ellas son simétricas CP. Esto significa que las interacciones "permanecen igual" aunque se intercambie una partícula con la imagen especular de su antipartícula. Sin embargo, en las teorías que amplían el Modelo Estándar, el ángulo de mezcla puede desviarse del cero y, por tanto, la interacción puede ser parcial o totalmente asimétrica CP, dependiendo del ángulo: un ángulo de mezcla de -90 o +90 grados corresponde a una interacción totalmente asimétrica CP, mientras que cualquier ángulo intermedio, excepto cero grados, corresponde a una interacción parcialmente asimétrica CP.

Tras analizar desintegraciones del bosón de Higgs en leptones tau, el equipo de ATLAS obtuvo un ángulo de mezcla de 9 ± 16 grados y el equipo de CMS, de -1 ± 19 grados. Estos resultados descartan, por el momento, una interacción 'bosón de Higgs-leptón tau' totalmente asimétrica CP, con una significación estadística de unas tres desviaciones estándar.

Los resultados obtenidos por ambas colaboraciones, ATLAS y CMS, son coherentes con el Modelo Estándar, dentro de la precisión actual de las medidas. El registro de nuevos datos permitirá a los investigadores confirmar esta conclusión o, por el contrario, descubrir la asimetría CP en la interacción 'bosón de Higgs-leptón tau', lo que tendría un profundo impacto en nuestra comprensión de la historia del universo.

Con el Run 3 (tercer ciclo de funcionamiento) del LHC a punto de comenzar, las colaboraciones ATLAS y CMS pronto dispondrán de más datos en sus análisis para averiguar si el bosón de Higgs esconde o no una nueva fuente de asimetría CP.