Las colaboraciones de ATLAS y CMS presentaron sus últimos resultados sobre nuevas firmas para detectar el bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Estos incluyen búsquedas de transformaciones raras del bosón de Higgs en un bosón Z, que es un portador de una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, y una segunda partícula. Observar y estudiar transformaciones que se predice que serán raras ayuda a avanzar en nuestra comprensión de la física de partículas y también podría señalar el camino hacia una nueva física si las observaciones difieren de las predicciones. Los resultados también incluyeron búsquedas de signos de transformaciones de Higgs en partículas "invisibles", que podría arrojar luz sobre posibles partículas de materia oscura. Los análisis involucraron cerca de 140 femtobarns inversos de datos, o alrededor de 10 millones de billones de colisiones protón-protón, registrados entre 2015 y 2018.

Los detectores ATLAS y CMS nunca pueden ver un bosón de Higgs directamente:una partícula efímera, se transforma (o "decae") en partículas más ligeras casi inmediatamente después de producirse en colisiones protón-protón, y las partículas más ligeras dejan firmas reveladoras en los detectores. Sin embargo, pueden producirse firmas similares mediante otros procesos de modelo estándar. Por lo tanto, los científicos deben identificar primero las piezas individuales que coinciden con esta firma y luego acumular suficiente evidencia estadística para confirmar que las colisiones efectivamente produjeron bosones de Higgs.

Cuando fue descubierto en 2012, el bosón de Higgs se observó principalmente en transformaciones en pares de bosones Z y pares de fotones. Estos llamados "canales de desintegración" tienen firmas relativamente limpias que los hacen más fáciles de detectar, y se han observado en el LHC. Se predice que otras transformaciones ocurrirán muy raramente, o tener una firma menos clara, y por lo tanto son difíciles de detectar.

En LHCP, ATLAS presentó los últimos resultados de sus búsquedas para uno de esos raros procesos, en el que un bosón de Higgs se transforma en un bosón Z y un fotón (γ). La Z así producida, siendo inestable en sí mismo, se transforma en pares de leptones, ya sea electrones o muones, dejando una firma de dos leptones y un fotón en el detector. Dada la baja probabilidad de observar una transformación de Higgs a Z _γ con el volumen de datos analizados, ATLAS pudo descartar la posibilidad de que más del 0,55% de los bosones de Higgs producidos en el LHC se transformaran en Z _γ . "Con este análisis, "dice Karl Jakobs, portavoz de la colaboración ATLAS, "podemos demostrar que nuestra sensibilidad experimental para esta firma se ha acercado ahora a la predicción del Modelo Estándar". El mejor valor extraído para la intensidad de la señal H → Zγ, definido como la relación entre el rendimiento de la señal del modelo estándar observado y el previsto, se encuentra que es 2.0 ^+1.0 _−0,9 .

CMS presentó los resultados de la primera búsqueda de transformaciones de Higgs que también implican un bosón Z pero acompañadas de un mesón ρ (rho) o φ (phi). El bosón Z una vez más se transforma en pares de leptones, mientras que la segunda partícula se transforma en pares de piones (ππ) en el caso de ρ y en pares de kaones (KK) en el caso de φ. "Estas transformaciones son extremadamente raras, "dice Roberto Carlin, portavoz de la colaboración CMS, "y no se espera que se observen en el LHC a menos que se trate de física de más allá del Modelo Estándar". Los datos analizados permitieron a CMS descartar que más de aproximadamente el 1,9% de los bosones de Higgs podrían transformarse en Zρ y más del 0,6% podrían transformarse en Zφ. Si bien estos límites son mucho mayores que las predicciones del modelo estándar, demuestran la capacidad de los detectores para hacer avances en la búsqueda de la física más allá del Modelo Estándar.

El llamado "sector oscuro" incluye partículas hipotéticas que podrían formar materia oscura, el elemento misterioso que representa más de cinco veces la masa de materia ordinaria en el universo. Los científicos creen que el bosón de Higgs podría contener pistas sobre la naturaleza de las partículas de materia oscura, ya que algunas extensiones del Modelo Estándar proponen que un bosón de Higgs podría transformarse en partículas de materia oscura. Estas partículas no interactuarían con los detectores ATLAS y CMS, lo que significa que siguen siendo "invisibles" para ellos. Esto les permitiría escapar de la detección directa y manifestarse como "energía faltante" en el evento de colisión. En LHCP, ATLAS presentó su último límite superior, del 13%, sobre la probabilidad de que un bosón de Higgs pueda transformarse en partículas invisibles conocidas como partículas masivas de interacción débil. o WIMP, mientras que CMS presentó los resultados de una nueva búsqueda de transformaciones de Higgs a cuatro leptones a través de al menos un "fotón oscuro" intermedio, también presenta límites en la probabilidad de que tal transformación ocurra en el LHC.

El bosón de Higgs continúa demostrando ser invaluable para ayudar a los científicos a probar el Modelo Estándar de física de partículas y buscar una física que pueda estar más allá. Estos son solo algunos de los muchos resultados relacionados con el bosón de Higgs que se presentaron en LHCP.

Nota tecnica

Cuando los volúmenes de datos no son lo suficientemente altos como para reclamar una observación definitiva de un proceso en particular, los físicos pueden predecir los límites que esperan imponer al proceso. En el caso de las transformaciones de Higgs, estos límites se basan en el producto de dos términos:la velocidad a la que se produce un bosón de Higgs en colisiones protón-protón (sección transversal de producción) y la velocidad a la que experimentará una transformación particular en partículas más ligeras (fracción de ramificación).

ATLAS esperaba colocar un límite superior de 1,7 veces la expectativa del Modelo Estándar para el proceso que involucra transformaciones de Higgs en un bosón Z y un fotón (H → Zγ) si tal transformación no estuviera presente; la colaboración pudo colocar un límite superior de 3.6 veces este valor, acercándose a la sensibilidad a las predicciones del Modelo Estándar. Las búsquedas de CMS fueron para un proceso mucho más raro, predice el modelo estándar que ocurrirá solo una vez en cada millón de transformaciones de Higgs, y la colaboración pudo establecer límites superiores de aproximadamente 1000 veces las expectativas del Modelo Estándar para los procesos H → Zρ y H → Zφ.