Fizycy cząstek odkrywają nowe rozpadanie bozonu Higgsa sugerujące fizykę poza Modelem Standardowym

Físicos descubrieron una nueva descomposición del bosón de Higgs, lo que sugiere una ligera desviación del Modelo Estándar teórico e indica la posibilidad de nueva física más allá de este. Los resultados de la investigación fueron publicados en la revista Physical Review Letters.

El bosón de Higgs, teorizado desde la década de 1960, fue finalmente descubierto en 2012 en el laboratorio CERN en Europa. Como campo cuántico, impregna todo el espacio por donde se mueven otras partículas, adquiriendo masa a través de la interacción con el campo de Higgs, que puede pensarse como una especie de resistencia a su movimiento.

Muchas propiedades del bosón de Higgs, incluidas sus interacciones con otras partículas y los campos asociados, ya han sido medidas y son consistentes con las predicciones del Modelo Estándar. Sin embargo, uno de los modos de descomposición del bosón de Higgs que aún no se había investigado era su descomposición teórica en un fotón y un bosón Z.

Investigadores de las colaboraciones ATLAS y CMS en el CERN utilizaron datos de colisiones de protones-protones de 2015 a 2018 para buscar esta descomposición específica del bosón de Higgs en un bosón Z y un fotón. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN es un acelerador de partículas de alta energía cerca de Ginebra, Suiza, que opera haciendo circular protones en direcciones opuestas, causando colisiones de protones en puntos detectores específicos millones de veces por segundo.

Durante esta serie de experimentos, la energía de colisión de dos protones alcanzó 13 billones de electronvoltios, justo por debajo de las capacidades máximas actuales de la máquina, lo que equivale aproximadamente a 2,1 microjulios. Esto es aproximadamente la energía cinética de un mosquito promedio o de un grano de sal moviéndose a una velocidad de un metro por segundo.

La teoría predice que el bosón de Higgs debería descomponerse en un bosón Z y un fotón en promedio 15 veces de cada 10,000 descomposiciones, convirtiéndolo en la descomposición más rara en el Modelo Estándar. Inicialmente, el bosón de Higgs produce un par quark-antiquark top o un par de bosones W, que luego se descomponen en un bosón Z y un fotón.

La colaboración ATLAS/CMS, compuesta por más de 9,000 científicos, descubrió que la «tasa de ramificación» de esta descomposición es de 34 veces en 10,000 descomposiciones, más o menos 11 en 10,000. Esto es 2,2 veces el valor teóricamente predicho.

La ratio medida es demasiado grande, desviándose en 3,4 desviaciones estándar del valor teórico, lo cual es estadísticamente pequeño para excluir una ocurrencia fortuita. Sin embargo, la diferencia relativamente grande sugiere la posibilidad de un desacuerdo significativo con el modelo, que podría surgir de una física más allá del Modelo Estándar, como nuevas partículas mediando interacciones que no involucran el quark top y los bosones W.

Una posibilidad de física más allá del Modelo Estándar es la supersimetría, una teoría que asume una relación de simetría entre partículas con espín medio entero llamadas fermiones y partículas con espín entero llamadas bosones, de modo que cada partícula conocida tiene un compañero con espín diferenciado por medio entero.

Muchos físicos teóricos han apoyado durante mucho tiempo a la supersimetría porque resolvería muchos enigmas que aquejan al Modelo Estándar, como las grandes disparidades (10^24) entre las fuerzas débiles y la gravedad, o por qué la masa del bosón de Higgs, aproximadamente 125 gigaelectronvoltios (GeV), es significativamente menor que la escala de energía de la gran unificación, que ronda los 10^16 GeV.

En el experimento, el masivo bosón Z se descompone en aproximadamente 3 × 10^-25 segundos, mucho antes de que alcance el detector. Los investigadores compensaron esto analizando la energía de dos electrones o dos muones que resultarían de esta descomposición del bosón Z, requiriendo que su masa total sea mayor de 50 GeV, una fracción significativa de la masa del bosón Z de 91 GeV.

«Este es un resultado muy bueno obtenido en colaboración con el grupo CMS. Es el estado final del bosón de Higgs más raro, como lo predice el Modelo Estándar, para el cual hemos visto las primeras pruebas», dijo Andrew Hoecker, portavoz de la colaboración ATLAS.

«Esta descomposición ocurre a través de bucles cuánticos y es sensible a nueva física de una manera similar, pero no idéntica, a la descomposición en dos fotones, lo que contribuyó al descubrimiento del bosón de Higgs por los grupos ATLAS y CMS en 2012.»

«Estos resultados son impresionantes por varias razones», agregó Monica Dunford del grupo CMS. «Somos capaces experimentalmente de medir con tanta precisión estos procesos muy raros. Sirven como una prueba poderosa para el Modelo Estándar y posibles teorías más allá de él.»

Dunford también mencionó que los grupos obtuvieron nuevos datos durante el actual Run 3 en el CERN, que comenzó en julio de 2022, con una energía total de 13.6 TeV. Se proporcionarán más datos por el Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad, que entregará aproximadamente cinco veces más colisiones protón-protón por segundo. Se planea que el HL-LHC esté operativo en 2028.

«Estos resultados son solo un adelanto de lo que seguiremos logrando», dijo Dunford.

Sección de preguntas frecuentes basadas en los temas principales e información presentada en el artículo:

1. ¿Cuál fue el descubrimiento realizado por los físicos de partículas?
– Los físicos de partículas descubrieron una nueva descomposición del bosón de Higgs, lo que sugiere una desviación del Modelo Estándar y la posibilidad de nueva física más allá de él.

2. ¿Cuáles son las propiedades del bosón de Higgs?
– El bosón de Higgs es un campo cuántico que impregna todo el espacio. Interactúa con otras partículas, otorgándoles masa.

3. ¿Qué datos se utilizaron en la investigación?
– Los investigadores de las colaboraciones ATLAS y CMS en el CERN utilizaron datos de colisiones de protones-protones de 2015 a 2018, llevadas a cabo con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

4. ¿Cuál fue el propósito de la investigación?
– El objetivo de la investigación fue buscar la descomposición del bosón de Higgs en un fotón y un bosón Z, que no había sido estudiada anteriormente.

5. ¿Cuáles fueron los resultados obtenidos?
– La colaboración ATLAS/CMS descubrió la descomposición del bosón de Higgs en un bosón Z y un fotón, con la tasa de ramificación de esta descomposición siendo 2.2 veces el valor teóricamente predicho.

6. ¿Cuáles son las posibles consecuencias de estos resultados?
– Los resultados sugieren la posibilidad de un desacuerdo significativo con el Modelo Estándar e indican la existencia de nuevas partículas mediando interacciones distintas al quark top y los bosones W.

7. ¿Qué teoría puede explicar estos resultados?
– Una posibilidad de física más allá del Modelo Estándar es la supersimetría, que asume una simetría entre partículas con espín medio entero (fermiones) y partículas con espín entero (bosones).

Enlaces relacionados sugeridos:
– Sitio web oficial del CERN
– Physical Review Letters

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