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Observada la anhelada desintegración del bosón de Higgs en quarks b

 

29/08/2018

Partículas elementales y astropartículas


 

Seis años después de su descubrimiento, el bosón de Higgs finalmente se ha observado desintegrándose a partículas fundamentales conocidas como quarks b (de "bottom" en inglés). El hallazgo, presentado ayer en el CERN por las colaboraciones de ATLAS (Aparato Toroidal del LHC) y CMS (Solenoide compacto de muones) del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), es consistente con la hipótesis de que el campo cuántico omnipresente detrás del bosón de Higgs también da masa al quark b. Ambos equipos enviaron ayer sus resultados para su publicación. El CIEMAT ha colaborado en la puesta a punto del LHC y participa en el experimento CMS.

El Modelo Estándar de Física de Partículas predice que aproximadamente el 60 % de las veces un bosón de Higgs se descompondrá en un par de quarks b, el segundo más pesado entre los seis sabores de los distintos quarks. Poner a prueba esta predicción es crucial, ya que su comprobación respalda el Modelo Estándar, que se basa en la idea de que el campo de Higgs dota a los quarks y otras partículas fundamentales de masa. De no haberse observado, habría obligado a replantear los cimientos del Modelo Estándar, apuntando a una nueva Física.

Descubrir este canal común de desintegración del bosón de Higgs es harto difícil, tal como lo ha demostrado el período de seis años transcurrido desde el descubrimiento del bosón. La razón de esta dificultad es que hay muchas otras maneras de producir quarks de fondo en colisiones entre protones. Esto hace que sea difícil aislar la señal de desintegración del bosón de Higgs del "ruido" de fondo asociado con dichos procesos. Por el contrario, los canales de descomposición menos comunes del bosón de Higgs que se observaron en el momento del descubrimiento de la partícula, como la desintegración de un par de fotones, son mucho más fáciles de distinguir del fondo.

Para extraer la señal, las colaboraciones ATLAS y CMS combinaron los datos del primer y segundo periodos de toma de datos del LHC, que contienen colisiones a energías de 7, 8 y 13 TeV. Se aplicaron métodos de análisis muy complejos a los datos. El resultado, tanto para ATLAS como para CMS, fue la detección de la descomposición del bosón de Higgs en un par de quarks b con un significado que excede 5 desviaciones estándar. Además, ambos equipos midieron una frecuencia de desintegraciones que es consistente con la predicción del Modelo Estándar, dentro de la precisión actual de la medida.

"Esta observación es un hito en la exploración del bosón de Higgs. Muestra que los experimentos ATLAS y CMS han logrado una comprensión profunda de sus datos y un control de sus fondos que supera las expectativas. ATLAS ahora ha observado todos los acoplamientos del bosón de Higgs a los quarks y leptones pesados ​​de la tercera generación, así como todos los modos de producción principales", dijo Karl Jakobs, responsable de la colaboración ATLAS.

"Desde la primera observación hecha por un solo experimento del decaimiento del bosón de Higgs a leptones tau hace un año, CMS, junto con nuestros colegas de ATLAS, ha observado el acoplamiento del bosón de Higgs a los fermiones más pesados: el tau, el quark top, y ahora el quark bottom. El excelente rendimiento de LHC y las modernas técnicas de machine learning nos han permitido alcanzar este resultado antes de lo esperado", dijo Joel Butler, responsable de la colaboración CMS.

Con más datos, las colaboraciones mejorarán la precisión de estas y otras mediciones y se espera medir la descomposición del bosón de Higgs en un par de fermiones mucho menos masivos llamados muones, siempre atentos a desviaciones en los datos que podrían apuntar a física más allá del Modelo Estándar.

"Los experimentos continúan centrados en el estudio del bosón de Higgs, que esperamos suponga un portal a la nueva Física más allá del Modelo Estándar. Estos grandes logros también reafirman nuestros planes de actualizar el LHC para aumentar sustancialmente la estadística. Ahora se ha demostrado que los métodos de análisis alcanzan la precisión requerida para la exploración del panorama completo de la Física, incluida la nueva Física que hasta ahora se oculta tan sutilmente", dijo el director de Investigación y Computación del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), Eckhard Elsen.

El CIEMAT ha colaborado en la puesta a punto del LHC y participa en el experimento CMS. De las instalaciones del CIEMAT han salido más del 25 % de las cámaras del detector central de muones de CMS y su electrónica asociada, así como parte del sistema de alineamiento entre subdetectores, responsabilidades del grupo de Física de Partículas de la Unidad de Excelencia María de Maeztu CIEMAT-Física de Partículas. Además, dicho grupo contribuye activamente en el análisis de los datos obtenidos, tanto directamente en la búsqueda y estudio del bosón de Higgs como en la búsqueda de nuevas partículas y en el análisis de otros procesos físicos.

La desintegración del Higgs a un par de quarks b obliga a centrar los esfuerzos en la mejor y más eficiente forma de identificar este tipo de quarks en los chorros de energía que son depositados en el detector de  CMS, como consecuencia de la desintegración de las partículas formadas a partir de este quark, y posteriormente registrados/analizados por los científicos (es decir,  la mejor forma de reconstruir chorros de energía con quarks b o anti-b dentro).

Para evaluar la eficiencia en la reconstrucción de ese tipo de chorros de energía es necesario el uso de las simulaciones Monte Carlo. No obstante, estas simulaciones Monte Carlo son precisas pero no exactas (en el sentido de que no reproducen exactamente todos los efectos que tienen lugar en el detector CMS cuando un chorro con un quark b deja energía en el mismo, es registrado, reconstruido, etc.).

El CIEMAT participa activamente en la evaluación de esas diferencias entre los datos registrados por el detector y la simulación Monte Carlo proporcionando unos factores de corrección que ayudan a la validación/consolidación de la medida.


 Imagen:  Evento que muestra un candidato de producción asociada de un bosón de Higgs y un bosón Z, con la posterior descomposición del bosón de Higgs en un quark b y su antipartícula

Observada la anhelada desintegración del bosón de Higgs en quarks b