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Estudio sobre el sabor de los leptones en desintegraciones del bosón de Higgs con el experimento CMS

Estudio sobre el sabor de los leptones en desintegraciones del bosón de Higgs con el experimento CMS 

28/04/2021

Partículas elementales y astropartículas

La Universidad Complutense de Madrid celebró, entre el 14 y el 16 de abril de 2021, las Jornadas de doctorandos 2020-2021 Primavera, en la que estudiantes matriculados en el programa de Doctorado en Física expusieron su trabajo. La investigadora predoctoral Lourdes Urda, de la unidad CIEMAT-Física de Partículas (Departamento de Investigación Básica), presentó su contribución a la colaboración CMS (Solenoide Compacto de Muones). Uno de los temas que discutió fue su participación en el estudio sobre el sabor de los leptones en desintegraciones del bosón de Higgs hecho público recientemente por el experimento. (Noticia original en inglés: "To be, or not to be conserved, that is the question": Lepton flavor in Higgs boson decays"). 

El concepto de "sabor" en física de partículas fue introducido por Murray Gell-Mann y su estudiante Harald Fritzsch para etiquetar los diferentes tipos de quarks conocidos hasta el momento: up, down y strange (arriba, abajo y extraño). Esta lista se duplicó hasta un total de 6 quarks. El mismo término de sabor también se utiliza para el sector leptónico en el que se conocen tres tipos de leptones cargados: electrón, muón y tau. A su vez, estos leptones cargados cuentan con una partícula neutra asociada -neutrino del electrón, neutrino del muón y neutrino del tau-. En el Modelo Estándar de partículas, el sabor de los leptones siempre se conserva. Esto quiere decir que, en cualquier interacción que ocurra dentro de los límites del Modelo Estándar, de forma global el sabor total de todos los leptones que intervienen en el proceso se mantiene. Por el contrario, el Modelo Estándar de Partículas sí que contempla la no conservación del sabor de los quarks en las interacciones fuertes. Sin embargo, esto es diferente para los leptones. Esta diferencia constituye una de las cuestiones más importantes sin resolver de la física de partículas.

A mitad de los años sesenta, observaciones experimentales mostraron una gran diferencia en la medida del flujo de neutrinos provenientes del Sol en comparación con lo esperado. Las colaboraciones de los experimentos Super-Kamiokande y Sudbury finalmente resolvieron el origen de esta discrepancia en 2002. La explicación fue atribuida al fenómeno de oscilación del sabor de los neutrinos durante su viaje desde que salían del Sol hasta que eran detectados por los experimentos en la Tierra. Esto sugiere que el sabor de los leptones podría no conservarse en el sector de los leptones cargados. Las oscilaciones de neutrinos han motivado la búsqueda de procesos que no conservan el sabor de los leptones cargados, lo que se conoce técnicamente como violación del sabor leptónico, o en inglés, Lepton Flavour Violation (LFV). Experimentos como MEG y BABAR emprendieron la búsqueda de estos procesos investigando si un muón puede desintegrarse en un electrón y un fotón o si un leptón tau puede desintegrarse en un leptón más ligero y un fotón. 

Hasta el momento, la búsqueda de estos procesos no ha mostrado ninguna desviación significativa con respecto a lo predicho por el Modelo Estándar y ningún proceso que viole el sabor de los leptones cargados ha sido observado. 

Los experimentos CMS y ATLAS del CERN descubrieron el bosón de Higgs en 2012, una nueva partícula que completó el Modelo Estándar y que confirmó la hipótesis de dar masa a todas las partículas fundamentales. A día de hoy, las propiedades del bosón de Higgs se miden con incertidumbres relativamente grandes, lo que podría dar cabida al descubrimiento de nuevas partículas que provengan, por ejemplo, de materia oscura. Por ello, las desintegraciones del bosón de Higgs suponen un territorio muy excitante para explorar. Algunas teorías contemplan la violación del sabor de los leptones en las desintegraciones del bosón de Higgs y la observación de los mismos sería una clara señal de una nueva física más allá del Modelo Estándar. 

El grupo CMS de la Unidad CIEMAT-Física de Partículas junto con la Universidad de Notre Dame en Indiana (EE UU), llevan a cabo la búsqueda de procesos de LFV usando datos de colisiones entre protones tomados por el detector CMS entre 2016 y 2018. En particular, esta búsqueda se centra en desintegraciones del bosón de Higgs en un muón y un leptón tau o en un electrón y un leptón tau. El leptón tau, a su vez, se desintegra en el detector dando lugar a señales asociadas a hadrones cargados o neutros (principalmente piones y kaones) o leptones más ligeros junto con neutrinos. Para el análisis usamos técnicas de "Aprendizaje profundo" -en inglés conocido como Deep Learning- que nos ayudan a identificar los leptones tau que se desintegran en hadrones y aumentar la eficiencia de la señal.

En la imagen que ilustra esta noticia se muestra el ejemplo de un evento candidato a la desintegración de un bosón de Higgs en el que se violaría el sabor leptónico con un muón y un leptón tau involucrados y una masa del bosón de Higgs reconstruida cercana a 125 GeV.

Por otro lado, es importante estimar correctamente las diferentes contribuciones asociadas a los procesos de fondo que puedan confundirse con nuestra señal de LFV. El fondo más abundante proviene de la desintegración del bosón Z en una pareja de leptones tau. Otro fondo importante viene de colisiones poco frecuentes en las que los hadrones son confundidos con leptones. Las demás contribuciones de fondos vienen de procesos en los que la pareja de leptones se produce en la desintegración de quarks o bosones vectoriales (Z o W) y son estimadas con simulaciones. 

Una vez que las contribuciones de los diferentes fondos han sido estimadas y la señal está bien definida, una técnica de Aprendizaje Automático (Machine Learning en inglés) se usa para optimizar la distinción entre la señal y el fondo. Una vez estimados los fondos y comparados con las predicciones de la señal, no se observa ninguna señal del proceso LFV buscado en este análisis. Poniendo números a la cota superior de probabilidad de ocurrencia de estos procesos, si un bosón de Higgs puede desintegrarse en un muón y un leptón tau, dicho proceso se daría como máximo 15 veces entre 1000 desintegraciones del bosón de Higgs. De forma similar, si un bosón de Higgs pudiese desintegrarse en un electrón y un leptón tau, dicho proceso podría ocurrir como mucho 22 veces entre 1000 desintegraciones del bosón de Higgs. Los resultados de este análisis se han hecho públicos en CMS-PAS-HIG-20-009 y se publicarán en la revista Physical Review D.

El experimento CMS retomará la toma de datos a inicios del año 2022. En tres años, la cantidad de datos experimentales duplicará la que disponemos en la actualidad. A partir de 2027, el LHC entrará en una nueva fase llamada de alta luminosidad, en la que la cantidad de colisiones por segundo aumentará en un orden de magnitud, por lo que una muestra de datos mucho más extensa estará disponible al final de dicho periodo.  Esto permitirá buscar con mayor precisión procesos poco frecuentes en los que se viola el sabor leptónico. Además de las búsquedas de nueva física con el LHC, nuevos experimentos como Mu2e están siendo diseñados en la actualidad y estudiarán el proceso de un muón desintegrándose en un electrón con una cantidad de datos diez mil veces más grande que la usada en un experimento anterior. El futuro de la cuestión acerca de la conservación del sabor leptónico es fascinante y con suerte, resolveremos uno de los misterios del Modelo Estándar antes de lo esperado. 


Figura 1: Candidato a un evento en el que se violaría el sabor leptónico en una desintegración del bosón de Higgs. La línea roja representa un muón y el cono rojo los depósitos de energía del leptón tau en los calorímetros del detector. Los otros dos conos amarillos representan los llamados "jets", chorros de partículas provenientes de una desintegración hadrónica.  

Estudio sobre el sabor de los leptones en desintegraciones del bosón de Higgs con el experimento CMS Estudio sobre el sabor de los leptones en desintegraciones del bosón de Higgs con el experimento CMS