Un equipo de físicos del experimento ATLAS en el CERN están explorando las interacciones entre bosones de Higgs con el objetivo de desentrañar una nueva física.

Los físicos se centraron en los sucesos que conducen a la creación de dos bosones de Higgs, que luego decaerían en múltiples partículas de la familia de los leptones.

Hacia una nueva física

Los científicos creen que las interacciones entre bosones de Higgs podrían desvelar nuevos conocimientos de física. Descubierta en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) del CERN en 2012, la esquiva partícula del bosón de Higgs ha estado en el centro de la exploración de nuevas posibilidades en la física de partículas.

Los científicos afirmaron que la producción de pares de bosones de Higgs puede ocurrir dentro del propio Modelo Estándar. Se trata de un proceso tan raro que no ha sido posible observarlo en los datos recogidos hasta ahora.

Sin embargo, existen modelos teóricos que describen fenómenos más allá del Modelo Estándar y que predicen la producción de pares de bosones de Higgs con una mayor probabilidad, según los científicos.

El detector ATLAS combina ambos objetivos

Los investigadores que trabajan en el detector ATLAS han combinado ambos objetivos: con los últimos análisis se ha podido ampliar el conocimiento de las interacciones de los bosones de Higgs entre sí, y se han encontrado mayores restricciones sobre los fenómenos de la “nueva física”.

En las instalaciones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en inglés) en Ginebra, los científicos intentan llevar a cabo sus investigaciones actuales de forma que se combinen mediciones más precisas de las propiedades del bosón de Higgs con nuevas búsquedas de una “nueva física”.

El estudio que acaba de publicarse es un ejemplo de este enfoque. En él, los físicos del experimento ATLAS se centraron en los sucesos que conducen a la creación de dos bosones de Higgs, que luego decaerían en múltiples partículas de la familia de los leptones (principalmente electrones y muones), según un comunicado de prensa.

Huellas de partículas secundarias registradas durante una colisión de protones en el detector ATLAS, que indican la presencia de un único bosón de Higgs en el suceso. Crédito de imagen: IFJ PAN / CERN / ATLAS Experiment

Estudios experimentales de las interacciones de los bosones de Higgs

Los resultados se presentan en la revista Journal of High Energy Physics. El Dr. Bartlomiej Zabinski, físico del Instituto de Física de la Academia Polaca de Ciencias (IPJ PAN) que coordinó el equipo internacional responsable de este análisis, declaró que los estudios experimentales de las interacciones de los bosones de Higgs entre sí tropiezan con un problema fundamental.

«Es el siguiente: en las colisiones de protones en el LHC, los bosones de Higgs aparecen con tan poca frecuencia que hasta ahora no se ha detectado ni un solo evento de producción de pares de bosones de Higgs, lo que a primera vista parece absolutamente necesario si queremos estudiar las interacciones entre estas partículas. Entonces, ¿cómo podemos estudiar un fenómeno que aún no se ha observado?», se preguntó Zabinski.

También afirmaron que toda partícula es una onda en un campo. El ejemplo más familiar de esto es la luz: la luz es simultáneamente una onda en el campo electromagnético y un flujo de partículas llamadas fotones.

En el caso del bosón de Higgs, el campo fue lo primero. El campo de Higgs se propuso en 1964 como un nuevo tipo de campo que llena todo el Universo y da masa a todas las partículas elementales. El bosón de Higgs es una onda de ese campo. Su descubrimiento confirma la existencia del campo de Higgs.

Propiedades inesperadas de los bosones de Higgs

Los científicos también sostienen que dentro del Modelo Estándar se pueden hacer predicciones cada vez más precisas sobre las probabilidades de diversos procesos conocidos.

ATLAS es uno de los dos detectores de propósito general del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Investiga un amplio espectro de la física, desde el bosón de Higgs hasta las dimensiones extra y las partículas que podrían constituir la materia oscura. Aunque tiene los mismos objetivos científicos que el experimento CMS, utiliza soluciones técnicas diferentes y un diseño de sistema magnético distinto. Crédito de imagen: CERN

Una razón para sugerir propiedades inesperadas de los bosones de Higgs o la existencia de nueva física sería una discrepancia entre las predicciones teóricas y los datos reales de los detectores del LHC.

Operando únicamente dentro del marco del Modelo Estándar, los físicos del experimento ATLAS simularon por tanto (junto con el fondo) las señales que deberían aparecer en los detectores en el caso de dos fenómenos de bosones de Higgs, y luego normalizaron los resultados de acuerdo con la cantidad esperada de datos procedentes de su detector, según el comunicado de prensa.

El último paso consistió en comparar los valores así obtenidos con los derivados de observaciones anteriores. El uso del aprendizaje automático basado en árboles de decisión ayudó en la búsqueda de estos procesos raros, afirmaron los científicos.

Zabinski afirmó que el análisis de los científicos de los sucesos de producción de doble bosón de Higgs en el estado final con múltiples leptones complementa los estudios ya realizados sobre otros estados finales.

Hasta ahora, los científicos no han observado nada en los datos de los detectores que discrepe del Modelo Estándar.

Zabinski agregó:

“Sin embargo, este resultado no descarta la posibilidad de que existan fenómenos de ‘nueva física’, sino que sólo nos informa de que su posible influencia en la producción de pares de bosones de Higgs sigue siendo demasiado débil para que se aprecie en los datos recogidos hasta ahora”.

Además, el LHC va a ser sometido a una importante actualización en los próximos años. Se prevé que la intensidad de los haces se multiplique por diez, lo que se traducirá en un aumento significativo del número de colisiones de protones registradas.

Las limitaciones impuestas por el análisis actual sobre la producción y los parámetros que describen las interacciones de los bosones de Higgs permiten a los físicos esperar que quizá ya a principios de la próxima década sea posible seleccionar los primeros sucesos de producción doble de Higgs a partir de más datos y verificar las predicciones actuales en observaciones directas del fenómeno, añade el comunicado de prensa.

Los hallazgos de la investigación han sido publicados en Journal of High Energy Physics.

[FT: IFJ]

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Crédito imagen de portada: depositphotos.com