Las colaboraciones científicas internacionales que operan en los experimentos ATLAS y CMS del CERN acaban de anunciar, tras cuatro años de toma de datos y cinco de análisis, la primera observación de la producción simultánea de cuatro quarks top. Los resultados se han obtenido utilizando datos procedentes de las colisiones registradas durante el Run 2 (2015-2018) del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. El quark top es la partícula elemental más masiva conocida, por lo que requiere mucha energía para producirse. El LHC, el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo, es el único capaz de producir a la vez cuatro quarks top, el proceso más raro observado hasta la fecha y que produce el estado final más pesado conocido.
Los resultados de ambos experimentos, presentados la semana pasada en la conferencia de Moriond, superan la significancia estadística de cinco sigmas requerida para confirmar un hallazgo en el campo de la física de partículas, por lo que se convierten en las primeras observaciones de este proceso raro. La detección registrada por ATLAS alcanza los 6,1 sigmas y la de CMS registra una significancia de 5,5 sigmas.
El quark top es la partícula más pesada del Modelo Estándar, lo que significa que podría ser clave para seguir avanzando en la comprensión y estudio del mecanismo que genera la masa y su relación con el bosón de Higgs. Por este motivo, los estudios relacionados con el quark top son ideales para buscar indicios de "nueva física" más allá del Modelo Estándar. En especial, el estudio de la producción de cuatro quarks top es particularmente importante, ya que nuevas partículas o fuerzas podrían alterar la probabilidad de producir cuatro quarks top a partir de las predicciones del Modelo Estándar.
Existen varias formas de producir un quark top. Lo más común es que se observen en pares de quarks y antiquarks, aunque ocasionalmente aparecen solos. Según las teorías del Modelo Estándar, se pueden producir cuatro quarks top a la vez, configurados en dos pares quark top - antiquark top que aparecen simultánemante. Sin embargo, la tasa de producción de cuatro quarks top a la vez es 70.000 veces menor que la de los procesos más comunes anteriormente mencionados, lo que hace que la producción de cuatro quarks top sea difícil de observar. ATLAS ya había encontrado evidencias de este fenómeno en 2020 y 2021, y CMS en 2022. Sin embargo, hasta la fecha nunca se había observado.
El entusiasmo que provoca el hallazgo en la comunidad científica de física de partículas proviene del espectacular estado final del suceso. Con 4 top quarks, las masas restantes suman por sí solas 700 gigaelectronvoltios (GeV), cerca de la energía de colisión máxima alcanzada en el anterior acelerador de partículas más potente, el Tevatron en Fermilab (EE.UU.). El hecho de que el LHC pueda descubrir este proceso es un testimonio del gran poder de esta compleja máquina.
Participación española en en el hallazgo
Desde la aprobación y puesta en marcha del experimento ATLAS, una colaboración internacional en la que participan alrededor de 3.000 científicos de 181 instituciones procedentes de 42 países, investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), del Instituto de Fisica de Altas Energías (IFAE), del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) y de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) consolidan la participación española en este experimento.
Por su parte, en la colaboración CMS participan alrededor de 4.000 científicos y técnicos de más de 50 países. La participación española en este experimento viene dada por grupos de investigación del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), del Instituto de Física de Cantabria (IFCA), de la Universidad de Oviedo (UO), de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), del Instituto Tecnológico de Aragón (ITAINOVA) y del Centro Nacional de Microelectrónica (CNM).
Investigadores españoles pertenecientes a ambas colaboraciones han tenido un papel muy relevante en el análisis de los procesos que forman el fondo irreducible de la búsqueda de este fenómeno raro. En la observación registrada por CMS han contribuido destacadamente en el análisis de los procesos de fondo los investigadores Bárbara Álvarez, Clara Ramón y Carlos Vico de la UO y Javier Brochero del IFCA. El grupo de la UO también contribuye, desde hace varios años, en el estudio, caracterización y definición de los leptones utilizados en la búsqueda.
A nivel de coordinación, los grupos de investigación del IFIC y del IFAE han tenido una gran relevancia en la observación registrada por ATLAS. Marcel Vos, investigador del CSIC en el IFIC, es el coordinador del grupo de física de top del experimento ATLAS responsable del resultado, mientras que Aurelio Juste, investigador del IFAE, es el presidente del consejo editorial que ha revisado la publicación. El IFIC también ha participado en el análisis de los procesos de fondo registrados en la observación realizada por ATLAS.
Anteriormente a este hallazgo, científicos del CIEMAT pertenecientes a la colaboración CMS ya habían participado en estudios relacionados con este hallazgo, allanando el camino a las búsquedas posteriores.
