Figura 1:Rangos permitidos para los coeficientes de acoplamiento de nuevas interacciones EFT. El coeficiente cHq (3), por ejemplo, describe la fuerza de una interacción efectiva de cuatro partículas entre dos quarks, un bosón gauge y el bosón de Higgs, que no está presente en el modelo estándar. La predicción del modelo estándar para estos coeficientes es cero. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
Los físicos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN están a la caza de fenómenos físicos más allá del modelo estándar. Algunas teorías predicen que una partícula aún no descubierta podría encontrarse en forma de una nueva resonancia (un pico estrecho) similar a la que anunció el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012.
Sin embargo, La naturaleza no siempre es tan amable y las nuevas resonancias pueden ser tan masivas que su producción requiera energías de colisión más allá de las del LHC. Si es así, no todo está perdido. Así como un terreno con pendiente suave puede indicar la presencia de un pico de montaña más adelante, Los datos del LHC pueden contener algunos indicios de que existen fenómenos interesantes a escalas de energía superiores.
Un modelo muy efectivo
En lugar de buscar una nueva partícula, los físicos pueden buscar nuevos tipos de interacciones, no presente en el modelo estándar. Dado que se desconocen sus mecanismos subyacentes, estas interacciones se denominan interacciones "efectivas", y su marco "teoría de campo efectivo" (EFT). Casi todos los tipos de física nueva dan lugar a estas nuevas interacciones, con diferentes modelos teóricos dejando diferentes huellas en la EFT. Sin embargo, los efectos pueden ser sutiles, especialmente si los fenómenos de gran masa están mucho más allá del alcance de la energía de colisión del LHC.
Dado que estas interacciones adicionales afectarían a todos los procesos físicos, Los científicos del experimento ATLAS están implementando una nueva estrategia de búsqueda que combina mediciones en todo el espectro de su programa de investigación. Un nuevo análisis de ATLAS publicado hoy utiliza mediciones combinadas de las propiedades del bosón de Higgs para buscar signos de nuevos fenómenos utilizando este marco de EFT. Como no se han visto tales fenómenos nuevos, los físicos imponen limitaciones a su magnitud. De todas las posibles nuevas interacciones entre las partículas del modelo estándar, Solo se pudo probar un subconjunto relacionado con el bosón de Higgs (los estudiados en la medición combinada original, que incluye las desintegraciones del bosón de Higgs en dos quarks b, dos fotones, y cuatro leptones).
La Figura 1 muestra los rangos permitidos para los coeficientes de acoplamiento de nuevas interacciones EFT a las que el análisis ATLAS es sensible. El modelo estándar requiere que todos estos coeficientes sean cero, ya que las interacciones no están presentes. Las desviaciones significativas positivas o negativas indicarían nuevos fenómenos.
Todas las medidas de ATLAS son compatibles con el modelo estándar, indicando que si hay nueva física presente, o se encuentra en escalas de energía superiores a 1 TeV (la escala de masa de referencia para la que se informan estos resultados) o se manifiesta en otras interacciones no probadas por este estudio. Mientras tanto, gracias al diseño del análisis, los resultados se pueden agregar a combinaciones más amplias, con medidas EFT obtenidas en otros canales de medida e incluso en otros experimentos.
Figura 2:Rangos de exclusión para el escenario Mh125 (χ), en términos de los dos parámetros del modelo:la masa del pseudoescalar A y otro parámetro del modelo, bronceado β, que juntos y en primera aproximación determinan el sector del bosón de Higgs extendido del MSSM. Las áreas de trazos azules y violetas están excluidas por las búsquedas directas y el área amarilla está excluida por la nueva medición basada en las propiedades del bosón de Higgs. Se excluye el área gris ya que la masa del bosón de Higgs del MSSM resultante no sería compatible con el valor medido de 125,09 GeV. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
Un super modelo
El modelo estándar mínimo supersimétrico (MSSM) es una extensión del modelo estándar, que predice (además de una plétora de otras partículas nuevas) un total de 5 bosones de Higgs, dos escalares (hy H), un pseudoescalar (A), y dos bosones de Higgs cargados (H +/- ) - así como posibles modificaciones a las interacciones del bosón de Higgs de 125 GeV observado.
Los físicos utilizan dos estrategias complementarias para buscar pistas del MSSM:buscar directamente nuevas partículas, o indirectamente a través de medidas precisas de las propiedades del bosón de Higgs. En otro nuevo análisis publicado por ATLAS Collaboration, los investigadores siguieron la última estrategia, utilizando la última combinación de mediciones de acoplamientos de Higgs en todos los canales de desintegración accesibles para establecer restricciones en los parámetros de MSSM. Exploraron varios escenarios de referencia de MSSM, todo lo cual asumió que el bosón de Higgs de 125 GeV era el escalar h más ligero.
Un ejemplo se muestra en la Figura 2, en el que algunas de las nuevas partículas predichas en el modelo son relativamente ligeras. Muestra que no solo se excluyen grandes rangos de espacio de parámetros, pero que estas exclusiones también complementan muy bien las de búsquedas directas realizadas anteriormente.
Hasta aquí, el modelo estándar gana
Los nuevos resultados de ATLAS establecen restricciones sobre la posible naturaleza de la nueva física en el marco de EFT y excluyen grandes franjas de espacio de parámetros en escenarios de MSSM. Su éxito no es más que el primer paso en la nueva estrategia de búsqueda de medidas combinadas. Al expandir el alcance de las mediciones futuras para incluir más análisis, incluidos los que involucran bosones vectoriales y quarks superiores, y agregar más datos, Los físicos planean darle al modelo estándar un desafío aún más difícil.
