Las colaboraciones científicas internacionales que operan en los experimentos ATLAS y CMS en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (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. El quark top es la partícula elemental más masiva conocida, por lo que requiere mucha energía para producirse. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo, es el único capaz de producir a la vez cuatro quarks top, uno de los procesos más raros que han observado sus experimentos hasta la fecha. El Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) participa en el hallazgo.

La Colaboración ATLAS, uno de los dos grandes experimentos del LHC donde participan más de 5.000 científicos y técnicos de todo el mundo, había encontrado indicios de la producción simultánea de cuatro quarks top en los datos obtenidos entre 2015 y 2018 (Run 2). Ahora, el equipo científico de ATLAS ha revisado la búsqueda aprovechando las mejoras en el rendimiento del detector, nuevas técnicas de análisis (entre ellas el aprendizaje automático denominado Graph Neural Network) y una mejor comprensión de los principales procesos de fondo. Todo ello hace que el resultado, presentado la semana pasada en la conferencia de Moriond, alcance los seis sigmas de confianza estadística, confirmando el hallazgo.

Participación española

El grupo de ATLAS del Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) participa en estudios de la producción de cuatro quarks top desde el año 2018. A lo largo de los años, el grupo ha liderado búsquedas de este proceso tal y como predice el Modelo Estándar, así como a través de partículas exóticas presentes en teorías más allá del Modelo Estándar. Dichas contribuciones dieron lugar a la primera evidencia de la producción de cuatro quarks top por parte de la colaboración ATLAS, que fué anunciada en Julio del 2020. Desde entonces, el grupo de IFAE ha continuado contribuyendo a este esfuerzo, y actualmente está liderando el análisis en el canal de desintegración con exactamente un leptón (electrón o muón) o dos leptones con carga opuesta. Con respecto al resultado hoy anunciado, el investigador Aurelio Juste (IFAE/ICREA), actual co-líder del grupo de IFAE en ATLAS, ha sido el presidente del consejo editorial de ATLAS que ha revisado y eventualmente aprobado el análisis y su publicación.

El grupo de investigación del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) también ha participado en el hallazgo. Marcel Vos, investigador del CSIC en el IFIC, es el coordinador del grupo de física de top del experimento ATLAS.

El entusiasmo que provoca el hallazgo en la comunidad científica de física de partículas proviene del espectacular estado final compuesto de 4 quarks top, así como por la oportunidad que se abre para buscar signos de física más allá del modelo estándar. En particular, el hecho de que la observación muestre un ligero exceso en la tasa de producción de quarks top en comparación con la predicción del Modelo Estándar, hace que el resultado sea aún más intrigante.

Relación con el bosón de Higgs

El quark top es la partícula más pesada del modelo estándar, lo que significa que es la partícula con los lazos más fuertes con el bosón de Higgs. Durante esta investigación, el equipo ha buscado también señales de nuevos fenómenos físicos en relación con el bosón de Higgs. Este análisis nuevo les ha llevado a acotar la interacción entre el quark top y el bosón de Higgs, poniendo un límite de 1,8 veces la predicción del Modelo Estándar.

La Colaboración ATLAS continuará impulsando la precisión de esta medición durante el Run 3 del LHC, que está en curso desde 2022. Los estudios futuros brindarán información adicional sobre la señal observada, lo que ayudará a determinar si realmente coincide con el Modelo Estándar o si hay indicios de nuevos fenómenos físicos que conduzcan a una comprensión más profunda de la naturaleza fundamental del universo.

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)