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. El Instituto de Física Corpuscular (IFIC),
centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat
de València, participa en esta investigación.
El bosón de Higgs, la partícula responsable de la masa del resto de partículas
elementales, sólo 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 un quark anti-top. Hoy, lunes 4
de junio, se presentan en la conferencia LHCP de Bolonia (Italia) nuevos resultados que
describen este fenómeno, llamado “proceso de producción ttH”. Los resultados han sido
obtenidos por el experimento CMS con una significancia estadística mayor que cinco
sigmas (el umbral para poder proclamar un genuino descubrimiento), y se han publicado
en la revista Physical Review Letters.
Por su parte, el experimento ATLAS acaba de enviar nuevos resultados para su
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, ofrecen nuevas pistas
sobre dónde buscar ‘nueva física’.
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).
María Moreno Llácer, fellow del CERN que realizó su doctorado en el Instituto de Física
Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), participa en dos de estos análisis. Según manifiesta Moreno,
“la dificultad para observar la interacción entre el bosón de Higgs y el quark top estriba
en que hay que descartar muchos otros procesos parecidos que se producen en las
colisiones del LHC, por lo que utilizamos avanzadas técnicas estadísticas para la
exploración de datos mediante procesos de aprendizaje automatizado, llamados
genéricamente machine learning o Inteligencia Arficial, para poder distinguir el
resultado final de las desintegraciones que nos interesan entre las muchas producidas”.
Para la investigadora, es muy importante estudiar cómo se producen las interacciones
entre el bosón de Higgs y el quark top. “Al ser la partícula elemental más pesada, es muy
interesante conocer cómo el quark top interactúa con el bosón de Higgs, responsable
de la masa de todas las partículas. Este acoplamiento top-Higgs es el más intenso.
Además, si hay nueva física tiene que tratarse de partículas con mucha masa, muy
energéticas, por lo que estudiar este proceso puede darnos pistas de su existencia. Sin
embargo, sigue siendo un misterio por qué el quark top es más masivo que la propia
partícula que da masa al resto de partículas elementales”, resume Moreno.
La investigadora se formó en el grupo del IFIC especializado en el estudio del quark top
en el experimento ATLAS, mientras Ximo Poveda Torres, actualmente staff del CERN, lo
hizo en el grupo del IFIC dedicado a análisis relacionados con el bosón de Higgs. Ambos
han centrado su esfuerzo en los últimos años en este análisis cuyos resultados se
muestran hoy. Los investigadores del grupo ATLAS del IFIC participan de forma muy
activa en estudios de física del quark top y del bosón Higgs, tanto en medidas de
precisión de sus interacciones y propiedades como en la búsqueda directa de nuevos
fenómenos. Varios miembros del IFIC han ocupado varios cargos de coordinación dentro
de la colaboración ATLAS, formada por más de 3.000 físicos de todo el mundo, tanto en
el estudio del quark top como del bosón de Higgs.
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.
Más información:
María José Costa Mezquita. Científica Titular CSIC. Vicedirectora del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSICUniversitat de València).
Maria.Jose.Costa@ific.uv.es // 96 354 38 33
http://lhcp2018.bo.infn.it/
Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS
detector. ATLAS Collaboration, arXiv:1806.00425. Physical Review Letters. 120, 231801.
doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.231801

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