El bosón de Higgs señala el camino de la Nueva Física

Nuevos resultados obtenidos en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) han puesto de manifiesto cómo el bosón de Higgs, la partícula elemental más pesada que se conoce, interactúa no sólo con partículas masivas, sino también con partículas desprovistas de masa.

Se observó con motivo de la desintegración del bosón de Higgs en dos fotones, que son partículas sin masa. Según la mecánica cuántica, el bosón de Higgs puede fluctuar durante un breve instante en un quark top y en un antiquark top, que se anulan entre sí rápidamente formando una pareja de fotones.

El quark top (en español quark cima) es una partícula elemental que pertenece a la tercera generación de quarks, las únicas partículas elementales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales: la nuclear, la electromagnética, la débil y la gravedad. Los quarks no sólo forman la materia nuclear, sino también en ocasiones partículas subatómicas como protones y neutrones. Los quarks existen con sus correspondientes antipartículas.

El quark top es el más masivo de los quarks descubiertos hasta la fecha. Es una partícula muy inestable, por lo que no tiene tiempo para fundirse con otros quarks y formar nuevas partículas conocidas como hadrones. Su antipartícula es el antiquark top.

El bosón de Higgs o partícula de Higgs es una partícula elemental propuesta en el modelo estándar de física de partículas. No posee espín, carga eléctrica o color, es muy inestable y se desintegra rápidamente: su vida media es del orden de la miltrillonésima parte de un segundo (zeptosegundo).

Proceso de producción ttH

La producción de un bosón de Higgs se puede obtener por fusión de  quarks top y antiquark top. Y este proceso es el que se ha observado por primera vez en  el CERN a partir de las experiencias desarrolladas en los detectores de partículas ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) y SMS (Compact Muon Solenoid). Este proceso ha recibido el nombre “proceso de producción ttH”.

Los resultados se han presentado esta semana en la conferencia LHCP de Bolonia (Italia) y ofrecen una significancia estadística superior a la que exige el umbral para poder proclamar un genuino descubrimiento. El hallazgo se publica  en la revista Physical Review Letters y se avanza asimismo en Arxiv.

Estos resultados suponen un gran avance en el conocimiento de las propiedades del bosón de Higgs. Los hallazgos de los dos experimentos ATLAS y SMS 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’, señala el CERN en un comunicado.

Una de las conclusiones de este trabajo es que la probabilidad de que ocurra de esta forma la producción del bosón de Higgs depende de la fuerza de la interacción (acoplamiento)  del bosón de Higgs con el quark top. Medir esa fuerza proporciona el valor del acoplamiento.

Sin embargo, medir este proceso ha sido 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.

En la frontera de la Nueva Física

“Estas medidas realizadas por las colaboraciones CMS y ATLAS nos ofrecen un fuerte indicio de que el bosón de Higgs juega 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”, explica Karl Jakobs, portavoz de la colaboración ATLAS, en el citado comunicado.

“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 como 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”, añade Joel Butler, portavoz de la colaboración CMS.

Esta sospecha se basa en que 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,  y mejorarán la precisión de estas medidas para ver si el Higgs revela la existencia de Física más allá del Modelo Estándar.

Lo que se cree es que partículas pesadas indicadoras de una nueva Física, que hasta ahora nunca han sido observadas, podrían participar en este tipo de desintegración que experimenta el bosón de Higgs y modificar el resultado observado ahora. Por este motivo al bosón de Higgs se le considera la puerta de entrada a una nueva Física.

Referencias

Observation of t¯tH Production. A. M. Sirunyan et al. (CMS Collaboration). Phys. Rev. Lett. 120, 231801. Published 4 June 2018. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.231801
 
Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector. ATLAS Collaboration. arXiv:1806.00425v1