Los experimentos del LHC revelan cómo interactúa el bosón de Higgs con la partícula más pesada

Los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) presentan nuevos resultados que avanzan en el conocimiento de cómo el bosón de Higgs interacciona con la partícula más pesada que se conoce, el quark top, confirmando las teorías existentes sobre la partícula que da masa al resto de las partículas y poniendo límites a nuevos fenómenos y teorías físicas. En ambos experimentos participan varios centros de investigación españoles.

El bosón de Higgs, la partícula responsable de la masa del resto de partículas elementales, solo interactúa con partículas con masa. Sin embargo, se descubrió mediante su desintegración en dos fotones (partículas sin masa), puesto que la mecánica cuántica permite que el bosón de Higgs produzca durante un tiempo muy corto un quark top y su antipartícula, un anti-quark top, que se aniquilan entre sí formando dos fotones. La probabilidad de que esto ocurra varía según la fuerza de la interacción o ‘acoplamiento’ entre el bosón de Higgs y los quarks top. Sin embargo, partículas más pesadas aún por descubrir podrían participar en esta desintegración alterando el resultado. Por eso se considera el bosón de Higgs como una puerta para encontrar ‘nueva física’.

Una manifestación más directa de la interacción entre el bosón de Higgs y el quark top es la emisión de un bosón de Higgs por un quark top y su antipartícula, un quark anti-top. Hoy se presentan en la conferencia LHCP de Bolonia (Italia) nuevos resultados que describen este fenómeno, llamado “proceso de producción ttH”. Los resultados de este proceso obtenidos por el experimento CMS, con una significancia estadística mayor que cinco sigmas (el umbral para poder proclamar un genuino descubrimiento), se publican hoy en la revista Physical Review Letters.

Por su parte, el experimento ATLAS acaba de enviar nuevos resultados para publicación, con datos del actual periodo de funcionamiento del LHC y con aún mayor significancia estadística. Juntos, estos resultados suponen un gran avance en el conocimiento de las propiedades del bosón de Higgs. Los hallazgos de los dos experimentos son compatibles entre sí y con las predicciones del Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones, y ofrecen nuevas pistas sobre dónde buscar ‘nueva física’.

Dificultades para medir un proceso 'raro'

Medir este proceso es un reto, puesto que es muy infrecuente: solo un 1% de los bosones de Higgs que se producen en el LHC están asociados con dos quarks top, y, además, el bosón de Higgs y los quarks top se desintegran en otras partículas de muchos modos complejos. Las colaboraciones ALTAS y CMS han llevado a cabo varios análisis independientes del proceso de producción ttH centrados en los diversos modos en los que se desintegra el Higgs (a bosones W, Z, fotones, leptones tau y jets de quarks b), con datos de las colisiones entre protones del LHC obtenidas a una energía de 7, 8 y 13 teraelectronvoltios (TeV).

“Estas medidas realizadas por las colaboraciones CMS y ATLAS nos ofrecen un fuerte indicio de que el bosón de Higgs juegan un papel fundamental en la gran masa del quark top. Aunque esta es sin duda una característica clave del Modelo Estándar, es la primera vez que se ha comprobado experimentalmente con abrumadora significancia estadística”, dice Karl Jakobs, portavoz de la colaboración ATLAS.

“Los equipos de análisis de CMS y sus homólogos en ATLAS han utilizado nuevos enfoques y avanzadas técnicas de análisis para alcanzar este resultado. Cuando los experimentos ATLAS y CMS acaben de tomar datos en noviembre de 2018 tendremos eventos suficientes com para comprobar de forma aún más contundente la predicción del Modelo Estándar para el proceso de producción ttH, y ver si hay indicios de algo nuevo, declara Joel Butler, portavoz de la colaboración CMS.

Este resultado se produce por el magnífico funcionamiento del LHC, la eficiencia de los detectores ATLAS y CMS, el uso de avanzadas técnicas de análisis y la inclusión en dichos análisis de todos los posibles estados finales de las desintegraciones de las partículas. Sin embargo, la precisión de estas medidas todavía deja espacio para la presencia de nueva física. En los próximos años, los dos experimentos recabarán muchos más datos, sobre todo gracias a la mejora que experimentará el LHC a partir de 2025 (LHC de Alta Luminosidad o HL-LHC), y mejorará la precisión de estas medidas para ver si el Higgs revela la existencia de física más allá del Modelo Estándar.

En los experimentos ALTAS y CMS participan científicos e ingenieros de varios centros de investigación españoles. En ATLAS lo hacen el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universidad de Valencia), y el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (CNM-IMB-CSIC). Por su parte, en el experimento CMS colaboran la Unidad de Física de Partículas del CIEMAT, el Instituto de Física de Cantabria (IFCA, CSIC-Universidad de Cantabria), la Universidad de Oviedo y la Autónoma de Madrid. Todos estos centros participan el la Red Consolider CPAN (Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear).

Más información:

New ATLAS result establishes production of Higgs boson in association with top quarks

CMS ttH observation paper published in PRL!