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Recreación de la desintegración del bosón de Higgs (H) en dos quarks b, asociada a una desintegración de un bosón W en un muon (µ) y un neutrino (ν). Imagen : ATLAS/CERN.
Seis años después de su descubrimiento, se ha observado por fin cómo el bosón de Higgs se desintegra en las partículas fundamentales conocidas como quarks bottom, el quark más masivo del modelo estándar.
El descubrimiento confirma la hipótesis de que el omnipresente campo cuántico asociado al bosón de Higgs también da masa a estas partículas, las más pesadas de los ‘ladrillos’ que forman la materia tras el quark top.
El Modelo Estándar de física de partículas predice que cuando el bosón de Higgs se desintegra, un 60% de las veces lo hará en un par de quarks bottom, el segundo quark más pesado de los 6 ‘sabores’ o tipos existentes. Comprobar esta predicción es crucial, porque el resultado podría apoyar el Modelo Estándar (basado en la idea de que el campo de Higgs dota de masa a los quarks y a otras partículas fundamentales), o bien sacudir sus fundamentos y apuntar a la existencia de nueva física.
Observar esta desintegración del Higgs es todo menos fácil, como demuestra la espera de 6 años desde su descubrimiento. La razón es que hay muchas formas de producir quarks bottom en las colisiones entre protones que se producen en el LHC. Esto hace muy difícil identificar la señal del Higgs respecto al ruido de fondo asociado a estos procesos.
Sin embargo, las desintegraciones más infrecuentes del bosón de Higgs como la desintegración a dos fotones fueron las que se observaron cuando se descubrió esta partícula en 2012, puesto que es mucho más fácil extraer la señal sobre el ruido de fondo.
Para extraer la señal observada ahora, las colaboraciones ATLAS y CMS combinaron datos del primer y segundo periodo de funcionamiento del LHC, que incluyen colisiones a energías de 7, 8 y 13 TeV (teraelectronvoltios). Después se han aplicado métodos de análisis complejos a los datos.
El resultado de ambas colaboraciones fue la observación de la desintegración del bosón de Higgs a un par de quarks bottom con una significancia estadística superior a las 5 desviaciones estándar, el umbral para confirmar que se trata de una genuina observación. Ambos experimentos encuentran una tasa de desintegración compatible con la predicción del Modelo Estándar, dentro de los márgenes de precisión de la medida actual.
El descubrimiento confirma la hipótesis de que el omnipresente campo cuántico asociado al bosón de Higgs también da masa a estas partículas, las más pesadas de los ‘ladrillos’ que forman la materia tras el quark top.
El Modelo Estándar de física de partículas predice que cuando el bosón de Higgs se desintegra, un 60% de las veces lo hará en un par de quarks bottom, el segundo quark más pesado de los 6 ‘sabores’ o tipos existentes. Comprobar esta predicción es crucial, porque el resultado podría apoyar el Modelo Estándar (basado en la idea de que el campo de Higgs dota de masa a los quarks y a otras partículas fundamentales), o bien sacudir sus fundamentos y apuntar a la existencia de nueva física.
Observar esta desintegración del Higgs es todo menos fácil, como demuestra la espera de 6 años desde su descubrimiento. La razón es que hay muchas formas de producir quarks bottom en las colisiones entre protones que se producen en el LHC. Esto hace muy difícil identificar la señal del Higgs respecto al ruido de fondo asociado a estos procesos.
Sin embargo, las desintegraciones más infrecuentes del bosón de Higgs como la desintegración a dos fotones fueron las que se observaron cuando se descubrió esta partícula en 2012, puesto que es mucho más fácil extraer la señal sobre el ruido de fondo.
Para extraer la señal observada ahora, las colaboraciones ATLAS y CMS combinaron datos del primer y segundo periodo de funcionamiento del LHC, que incluyen colisiones a energías de 7, 8 y 13 TeV (teraelectronvoltios). Después se han aplicado métodos de análisis complejos a los datos.
El resultado de ambas colaboraciones fue la observación de la desintegración del bosón de Higgs a un par de quarks bottom con una significancia estadística superior a las 5 desviaciones estándar, el umbral para confirmar que se trata de una genuina observación. Ambos experimentos encuentran una tasa de desintegración compatible con la predicción del Modelo Estándar, dentro de los márgenes de precisión de la medida actual.
Un hito en la exploración del bosón de Higgs
“Esta observación es un hito en la exploración del bosón de Higgs. Muestra que los experimentos ATLAS y CMS han alcanzado un profundo entendimiento de sus datos y un control de los ruidos de fondo más allá de lo esperado”, dice Kark Jakobs, portavoz de la colaboración ATLAS.
“Desde la primera observación de la desintegración del bosón de Higgs a leptones tau por parte de cada experimento hace un año, CMS, junto con nuestros colegas de ATLAS, ha observado el acoplamiento del bosón de Higgs a los fermiones más pesados: el tau, el quark top y ahora al quark bottom. La soberbia actuación del LHC y las modernas técnicas de ‘machine learning’ han permitido alcanzar este resultado mucho más pronto de lo esperado”, ha dicho Joel Butler, portavoz de la colaboración CMS.
Con más datos, las colaboraciones mejorarán la precisión de esta y otras medidas, e investigarán la desintegración del bosón de Higgs a pares de partículas fundamentales mucho menos pesadas llamadas muones, buscando desviaciones en los datos que puedan apuntar a nueva física más allá del Modelo Estándar.
“Los experimentos continúan indagando sobre la partícula de Higgs, que a menudo se considera un portal de entrada a la ‘nueva física’. Estos logros apoyan nuestros planes de actualizar el LHC para incrementar sustancialmente el número de datos. Los métodos de análisis han demostrado que pueden alcanzar la precisión requerida para la exploración de todo el panorama de la física, incluyendo la nueva física hasta ahora sutilmente escondida”, dice el director de Investigación y Computación del CERN, Eckhard Elsen.
“Esta observación es un hito en la exploración del bosón de Higgs. Muestra que los experimentos ATLAS y CMS han alcanzado un profundo entendimiento de sus datos y un control de los ruidos de fondo más allá de lo esperado”, dice Kark Jakobs, portavoz de la colaboración ATLAS.
“Desde la primera observación de la desintegración del bosón de Higgs a leptones tau por parte de cada experimento hace un año, CMS, junto con nuestros colegas de ATLAS, ha observado el acoplamiento del bosón de Higgs a los fermiones más pesados: el tau, el quark top y ahora al quark bottom. La soberbia actuación del LHC y las modernas técnicas de ‘machine learning’ han permitido alcanzar este resultado mucho más pronto de lo esperado”, ha dicho Joel Butler, portavoz de la colaboración CMS.
Con más datos, las colaboraciones mejorarán la precisión de esta y otras medidas, e investigarán la desintegración del bosón de Higgs a pares de partículas fundamentales mucho menos pesadas llamadas muones, buscando desviaciones en los datos que puedan apuntar a nueva física más allá del Modelo Estándar.
“Los experimentos continúan indagando sobre la partícula de Higgs, que a menudo se considera un portal de entrada a la ‘nueva física’. Estos logros apoyan nuestros planes de actualizar el LHC para incrementar sustancialmente el número de datos. Los métodos de análisis han demostrado que pueden alcanzar la precisión requerida para la exploración de todo el panorama de la física, incluyendo la nueva física hasta ahora sutilmente escondida”, dice el director de Investigación y Computación del CERN, Eckhard Elsen.
Referencia
Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector. Physics Letters B, Volume 784, 10 September 2018, Pages 173-191. DOI:https://doi.org/10.1016/j.physletb.2018.07.035
Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector. Physics Letters B, Volume 784, 10 September 2018, Pages 173-191. DOI:https://doi.org/10.1016/j.physletb.2018.07.035
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Los electrones abren un nuevo mundo a la física cuántica
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