El descubrimiento del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en 2012 marcó un hito importante en la física de partículas. Desde entonces, las colaboraciones ATLAS y CMS han estado investigando diligentemente las propiedades de esta partícula, buscando establecer las diferentes formas en las que se puede producir y desintegrar en otras partículas.
En la conferencia Física del Gran Colisionador de Hadrones (LHCP, por sus siglas en inglés), celebrada esta semana, ATLAS y CMS han informado de cómo han unido esfuerzos para encontrar la primera evidencia del proceso raro por el que el bosón de Higgs se desintegra en un bosón Z, el portador eléctricamente neutro de la fuerza débil, y un fotón, el portador de la fuerza electromagnética. Esta desintegración rara del bosón de Higgs podría aportar pruebas indirectas de la existencia de partículas más allá de las predichas por el Modelo Estándar de la Física de Partículas.
La desintegración del bosón de Higgs en un bosón Z y un fotón es similar a la de una desintegración en dos fotones. En estos procesos, el bosón de Higgs no se desintegra directamente en estos pares de partículas. En su lugar, las desintegraciones se producen a través de un "bucle" intermedio de partículas "virtuales" que aparecen y desaparecen rápidamente y que no pueden detectarse directamente. Estas partículas virtuales podrían incluir nuevas partículas aún no descubiertas que interactúan con el bosón de Higgs.
El Modelo Estándar predice que, si el bosón de Higgs tiene una masa de unos 125.000 millones de electronvoltios, aproximadamente el 0,15% de los bosones de Higgs se desintegrarán en un bosón Z y un fotón. Pero algunas teorías que amplían el Modelo Estándar predicen una tasa de desintegración diferente. Por tanto, medir el valor de esta tasa de desintegración proporciona información valiosa, no solo sobre la naturaleza del bosón de Higgs, sino también sobre la física que puede haber más allá del Modelo Estándar.
Anteriormente a este nuevo resultado, los experimentos ATLAS y CMS realizaron de forma independiente búsquedas exhaustivas de la desintegración del bosón de Higgs en un bosón Z y un fotón, utilizando datos de colisiones protón-protón producidas en el LHC. Ambas búsquedas utilizaron estrategias similares, identificando el bosón Z a través de sus desintegraciones en pares de electrones o muones. Estas desintegraciones del bosón Z se producen en aproximadamente el 6,6% de los casos.
En estas búsquedas, los sucesos de colisión asociados con la desintegración del bosón de Higgs (la señal) aparecen como picos estrechos sobre un fondo suave de sucesos. Para mejorar la sensibilidad a la hora de captar la señal de la desintegración, ATLAS y CMS exploraron los modos más frecuentes en los que se produce el bosón de Higgs y categorizaron los sucesos basándose en las características de estos procesos de producción. También utilizaron técnicas avanzadas de aprendizaje automático para distinguir entre los sucesos de señal y los de fondo.
En el nuevo estudio, ATLAS y CMS han unido esfuerzos para maximizar los resultados de su búsqueda. Mediante la combinación de las muestras de datos recogidas por ambos experimentos durante el segundo periodo de funcionamiento del LHC (Run 2, 2015-2018), las colaboraciones han aumentado significativamente la precisión estadística y el alcance de sus búsquedas.
Este esfuerzo de colaboración ha dado como resultado la primera prueba de la desintegración del bosón de Higgs en un bosón Z y un fotón. El resultado tiene una significancia estadística de 3,4 desviaciones estándar, por debajo del requisito convencional de 5 desviaciones estándar para afirmar que se trata de una observación, por lo que, de momento, solo es una primera evidencia. El índice de señal medido está 1,9 desviaciones estándar por encima de la predicción del Modelo Estándar.
"Cada partícula tiene una relación especial con el bosón de Higgs, lo que hace que la búsqueda de desintegraciones raras del Higgs sea una gran prioridad", afirma Pamela Ferrari, coordinadora de física de ATLAS. "Mediante una meticulosa combinación de los resultados individuales de ATLAS y CMS, hemos dado un paso adelante para desentrañar otro enigma más del bosón de Higgs".
"La existencia de nuevas partículas podría tener efectos muy significativos en los modos de desintegración raros del bosón de Higgs", afirma la coordinadora de física de CMS, Florencia Canelli. "Este estudio es una poderosa forma de poner a prueba el Modelo Estándar. Con el tercer periodo de funcionamiento del LHC y el futuro LHC de alta luminosidad, podremos mejorar la precisión de esta prueba y sondear desintegraciones del Higgs cada vez más raras."
