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Los científicos de LHC detectan la decadencia de Higgs más favorecida

octubre 31, 2018
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Hoy en el CERN, las colaboraciones del Gran Colisionador de Hadrones ATLAS y CMS anunciaron conjuntamente el descubrimiento del bosón de Higgs transformándose en quarks de fondo a medida que se descompone. Se predice que esta es la forma más común de decaimiento de los bosones de Higgs, pero fue una señal difícil de aislar porque los procesos de fondo imitan de cerca la señal sutil. Este nuevo descubrimiento es un gran paso adelante en la búsqueda de comprender cómo el Higgs permite que las partículas fundamentales adquieran masa.

Después de varios años de refinar sus técnicas e incorporar gradualmente más datos, ambos experimentos finalmente vieron evidencia de que el higgs decae a los quarks inferiores que excede el umbral 5-sigma de significación estadística que típicamente se requiere para reclamar un descubrimiento. Ambos equipos encontraron que sus resultados eran consistentes con las predicciones basadas en el Modelo Estándar.

“El bosón de Higgs es un componente integral de nuestro universo y teorizado para darles masa a todas las partículas fundamentales”, dice Patty McBride, científica distinguida del Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de los EE. UU. Y recientemente elegida vocal adjunta del experimento CMS. “Pero todavía no hemos confirmado exactamente cómo este campo interactúa, o incluso si interactúa, con todas las partículas que conocemos, o si interactúa con partículas de materia oscura, que aún no se han detectado”.

Los bosones de Higgs se producen en aproximadamente una de cada mil millones de colisiones de LHC y viven solo una pequeña fracción de segundo antes de que su energía se convierta en una cascada de otras partículas. Debido a que es imposible ver bosones de Higgs directamente, los científicos usan estos productos secundarios de descomposición de partículas para estudiar las propiedades de Higgs. Desde su descubrimiento en 2012, los científicos han podido identificar solo alrededor del 30 por ciento de todas las descomposiciones predichas del bosón de Higgs. Según Viviana Cavaliere, una física del Laboratorio Nacional de Brookhaven que trabaja en el experimento ATLAS, encontrar el bosón de Higgs descomponiéndose en quarks de fondo ha sido la prioridad no. 1 durante los últimos años debido a su gran tasa de descomposición.

“La teoría predice que el 60 por ciento de los bosones de Higgs se descomponen en quarks inferiores”, dice Cavaliere, quien también está utilizando este proceso para buscar nueva física. “Encontrar y entender este canal es crítico porque abre la posibilidad de que examinemos el comportamiento del Higgs, como si pudiese interactuar con partículas nuevas no descubiertas”.

El campo de Higgs está teorizado para interactuar con todas las partículas masivas en el Modelo Estándar, la mejor teoría que tienen los científicos para explicar el comportamiento de las partículas subatómicas. Pero muchos científicos sospechan que el Higgs también podría interactuar con partículas masivas fuera del Modelo Estándar, como la materia oscura. Al encontrar y mapear las interacciones de los bosones de Higgs con partículas conocidas, los científicos pueden probar simultáneamente nuevos fenómenos.

“Una fracción de los bosones de Higgs podría estar produciendo partículas de materia oscura como parte de su descomposición”, dice Giacinto Piacquadio, físico de la Universidad de Stony Brook, quien codirigió el grupo de análisis Higgs-to-bottom-quarks. “Debido a que la descomposición del bosón de Higgs en los quarks inferiores es tan común, podemos usarla para poner restricciones a las caries potencialmente invisibles, así como también usarla para buscar nueva física directamente”.

Aunque esta decadencia es la ruta más popular, detectarla en los datos experimentales no fue caminar en el parque. Cada colisión de protones y protones en el LHC produce una salpicadura de subproductos subatómicos, uno de los quarks de fondo más comunes. Estos quarks inferiores se descomponen rápidamente en otros tipos de partículas, dejando vastas lluvias de partículas en los detectores. Rastrear estas duchas de partículas de vuelta a los dos quarks inferiores (y luego descifrar cuáles provenían de un bosón de Higgs) es un trabajo extremadamente delicado y laberíntico.

“Ser capaz de identificar y aislar los quarks inferiores en los datos experimentales es un gran desafío y requiere una calibración precisa del detector y un etiquetado b-quark sofisticado”, dice Piacquadio. “Solo pudimos hacer estos análisis gracias a los años de trabajo que vinieron antes”.

Para detectar este proceso, las colaboraciones de ATLAS y CMS combinaron los datos de la primera y segunda ejecución del LHC y luego aplicaron métodos de análisis complejos a los datos.

“Encontrar un solo evento que se parezca a los dos quarks inferiores que se originan de un bosón de Higgs no es suficiente”, dice Chris Palmer, un científico de Princeton que trabajó en el análisis de CMS. “Necesitábamos analizar cientos de miles de eventos antes de poder iluminar este proceso, que está sucediendo en la cima de una montaña de eventos similares de fondo”.

Según Palmer, estos eventos de fondo engañosos hicieron que los análisis fueran casi imposibles de llevar a cabo en base únicamente a los quarks de fondo aislados.

“Afortunadamente, hay algunos mecanismos de producción de Higgs que producen partículas identificables como subproductos”, dice Palmer. “Usamos estas partículas para etiquetar los posibles eventos de Higgs y separarlos de todo lo demás. Así que realmente obtuvimos un trato de dos por uno con este análisis porque no solo encontramos el Higgs decayendo a los quarks inferiores, sino que también aprendimos mucho sobre sus mecanismos de producción “.

El siguiente paso es aumentar la precisión de estas mediciones para que los científicos puedan estudiar este modo de descomposición con una resolución mucho mayor y explorar qué secretos podría ocultar el bosón de Higgs.