La colaboración ATLAS en el CERN ha anunciado la observación de sucesos con un bosón de Higgs producido junto con un par de quarks top. Observar este proceso extremadamente raro es un resultado importante ya que permite a los físicos comprobar parámetros críticos del mecanismo de Higgs en el modelo estándar.

El resultado surge del análisis de los datos conseguidos por el experimento ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) y concuerda con una observación reciente de la colaboración CMS, también en el LHC. La significancia estadística conseguida es de 6.3 desviaciones estándar para el resultado de ATLAS y 5.2 desviaciones estándar para el resultado de CMS.

“Esta medida constituye un logro histórico en la exploración del mecanismo de Higgs y la interacción de partículas del Modelo Estándar con el bosón de Higgs. Proporciona evidencia directa de que la partícula más pesada conocida, el quark top, interactúa con la intensidad prevista con el bosón de Higgs”, dice Karl Jakobs, portavoz de ATLAS.

El resultado se ha ido acumulando lentamente a lo largo de años de observaciones hasta conseguir la primera evidencia significativa que publicó ATLAS el pasado diciembre.

Contribución española al resultado y desafío experimental

El grupo de ATLAS del Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) participa en los estudios de producción de quarks top asociados con el bosón de Higgs desde 2011. Desde entonces, y en particular en el resultado presentado hoy, el grupo de IFAE se ha centrado en el estudio del canal dominante de desintegración del bosón Higgs a una pareja de quarks bottom. El investigador Aurelio Juste (IFAE/ICREA), actual co-líder del grupo de IFAE en ATLAS, fué coordinador del grupo de trabajo correspondiente dentro de ATLAS durante 2013-2015, cuando se construyó un ambicioso programa de búsquedas de este importante proceso que finalmente ha dado su fruto.

Dado que solo el 1% de todos los bosones de Higgs se producen en asociación con quarks top, su observación ha sido todo un desafío experimental. Los físicos de ATLAS examinaron cinco años de datos de colisiones para llegar a este resultado. “Esta ha sido una de las búsquedas más exigentes llevadas a cabo por la colaboración ATLAS y ha requerido un esfuerzo concertado de varios equipos de análisis”, dice Fabio Cerutti, coordinador del grupo de trabajo de ATLAS Higgs. “Como es un proceso tan raro, tuvimos que mirar a través de diferentes canales de desintegración del bosón de Higgs. Algunos de ellos estaban limitados por incertidumbres experimentales, mientras que otros por la cantidad de datos que recopilamos. Únicamente a través de la combinación de todos estos análisis distintos, pudimos lograr esta observación “.

Por qué las partículas tienen la masa que tienen?

El nuevo resultado también puede proporcionar ideas sobre uno de los aspectos más desconcertantes del Modelo Estándar: la gran diferencia en el valor de las masas de los fermiones, la clase de partículas que incluyen quarks y leptones, y que constituyen la materia que conocemos.

Comprender la naturaleza de la masa del quark top sería de gran ayuda para resolver este misterio. “La medida obtenida da una fuerte indicación de que el bosón de Higgs tiene un papel clave en el hecho que la masa del quark top sea tan alta”, dice Cerutti. “Si bien éste es sin duda un hecho esperado del Modelo Estándar, esta es la primera vez que se ha comprobado experimentalmente con una gran significancia estadística.”.

Perspectivas futuras

El resultado obtenido abre nuevas posibilidades de análisis para el experimento ATLAS. Gracias a la gran cantidad de datos producidos por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), los investigadores podrán estudiar el bosón de Higgs en interacciones aún más raras por primera vez. Dichos estudios continuarán desafiando los límites del Modelo Estándar y pueden abrir nuevas vías de descubrimiento.

“La potencia total de todo el conjunto de datos recopilados durante el run 2 del LHC, incluidos los realizados hasta el final de este año, se utilizará en el futuro para mejorar la precisión de este resultado y buscar desviaciones más pequeñas con incertidumbres experimentales reducidas”, concluye Jakobs . “Una combinación de todas las medidas del bosón de Higgs al final del run 2 será importante y emocionante”.

En los experimentos ATLAS y CMS participan científicos e ingenieros de varios centros de investigación españoles. En ATLAS participan el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universidad de Valencia), y la Universidad Autónoma de Madrid. 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 Universidad Autónoma de Madrid. Todos estos centros participan en la Red Consolider CPAN (Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear)