Primera evidencia de una rara descomposición del bosón de Higgs

Eventos candidatos de ATLAS (izquierda) y CMS (derecha) para un bosón de Higgs que se descompone en un bosón Z y un fotón, con el bosón Z decayendo en un par de muones. - CERN

   MADRID, 29 May. (EUROPA PRESS) -

   Físicos de las colaboraciones ATLAS y CMS en el acelerador LHC del CERN han encontrado la primera evidencia de una rara desintegración del bosón de Higgs, la partícula que confiere masa a la materia.

   Se trata de un raro proceso en el que el bosón de Higgs se descompone en un bosón Z, el portador eléctricamente neutro de la fuerza débil, y un fotón, el portador de la fuerza electromagnética.

   Este decaimiento del bosón de Higgs podría proporcionar evidencia indirecta de la existencia de partículas más allá de las predichas por el modelo estándar de física de partículas, informa el CERN en un comunicado.

   El decaimiento del bosón de Higgs en un bosón Z y un fotón es similar al decaimiento en dos fotones. En estos procesos, el bosón de Higgs no se desintegra directamente en estos pares de partículas. En cambio, las desintegraciones proceden a través de un "bucle" intermedio de partículas "virtuales" que aparecen y desaparecen y no pueden detectarse directamente. Estas partículas virtuales podrían incluir partículas nuevas, aún no descubiertas, que interactúan con el bosón de Higgs.

   El modelo estándar predice que, si el bosón de Higgs tiene una masa de alrededor de 125 mil millones de electronvoltios, aproximadamente el 0,15 % de los bosones de Higgs se descompondrán en un bosón Z y un fotón. Pero algunas teorías que amplían el modelo estándar predicen una tasa de descomposición diferente. Por lo tanto, medir la tasa de decaimiento proporciona información valiosa tanto sobre la física más allá del modelo estándar como sobre la naturaleza del bosón de Higgs.

   Previamente, utilizando datos de colisiones protón-protón en el LHC, ATLAS y CMS realizaron de forma independiente búsquedas exhaustivas de la descomposición del bosón de Higgs en un bosón Z y un fotón. Ambas búsquedas utilizaron estrategias similares, identificando el bosón Z a través de sus desintegraciones en pares de electrones o muones, versiones más pesadas de electrones. Estas desintegraciones del bosón Z ocurren en aproximadamente el 6,6% de los casos.

   En estas búsquedas, los eventos de colisión asociados con este decaimiento del bosón de Higgs (la señal) se identificarían como un pico estrecho, sobre un fondo uniforme de eventos, en la distribución de la masa combinada de los productos del decaimiento. Para mejorar la sensibilidad al decaimiento, ATLAS y CMS explotaron los modos más frecuentes en los que se produce el bosón de Higgs y clasificaron los eventos según las características de estos procesos de producción. También utilizaron técnicas avanzadas de aprendizaje automático para distinguir mejor entre eventos de señal y de fondo.

   En un nuevo estudio, ATLAS y CMS ahora han unido fuerzas para maximizar el resultado de su búsqueda. Al combinar los conjuntos de datos recopilados por ambos experimentos durante la segunda activación del LHC, que tuvo lugar entre 2015 y 2018, las colaboraciones han aumentado significativamente la precisión estadística y el alcance de sus búsquedas.

   Este esfuerzo colaborativo resultó en la primera evidencia de la descomposición del bosón de Higgs en un bosón Z y un fotón. El resultado tiene una significación estadística de 3,4 desviaciones estándar, que está por debajo del requisito convencional de 5 desviaciones estándar para reclamar una observación. La tasa de señal medida es 1,9 desviaciones estándar por encima de la predicción del modelo estándar.

   "Cada partícula tiene una relación especial con el bosón de Higgs, lo que hace que la búsqueda de desintegraciones raras de Higgs sea una alta prioridad", dice la coordinadora de física de ATLAS, Pamela Ferrari. "A través de una combinación meticulosa de los resultados individuales de ATLAS y CMS, hemos dado un paso adelante para desentrañar otro enigma del bosón de Higgs".

   "La existencia de nuevas partículas podría tener efectos muy significativos en los raros modos de desintegración de Higgs", dice la coordinadora de física de CMS, Florencia Canelli. "Este estudio es una poderosa prueba del modelo estándar. Con la tercera ejecución en curso del LHC y el futuro LHC de alta luminosidad, podremos mejorar la precisión de esta prueba y sondear desintegraciones de Higgs cada vez más raras".