El bosón de Higgs alcanzó la fama de la noche a la mañana en 2012 cuando finalmente se descubrió en un revoltijo de otras partículas generadas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Ginebra. Suiza. El descubrimiento fue monumental porque el bosón de Higgs, sobre el que solo se había teorizado anteriormente, tiene la propiedad especial de dotar de masa a otras partículas elementales. También es extremadamente raro y difícil de identificar en los escombros de partículas en colisión.

Los físicos de Caltech jugaron un papel importante en el descubrimiento del bosón de Higgs, un resultado que le valió al físico teórico Peter Higgs una parte del Premio Nobel de Física 2013, y ahora continúan haciendo hallazgos significativos sobre procesos raros del bosón de Higgs.

Este verano, por primera vez, físicos de partículas que utilizan los datos recopilados por el experimento conocido como el solenoide compacto de muón (CMS) en el LHC, han encontrado evidencia de que el bosón de Higgs se descompone en un par de partículas elementales llamadas muones. El muón es una versión más pesada del electrón, y tanto los muones como los electrones pertenecen a una clase de partículas conocidas como fermiones, como se describe en el modelo de partículas ampliamente aceptado llamado Modelo Estándar. El modelo estándar clasifica todas las partículas como fermiones o bosones. Generalmente, los fermiones son bloques de construcción de toda la materia, y los bosones son los portadores de fuerza.

Un muón es también lo que se conoce como partícula de segunda generación. Las partículas de fermiones de primera generación, como los electrones, son las más ligeras; Las partículas de segunda y tercera generación pueden descomponerse para convertirse en partículas de primera generación. El nuevo hallazgo representa la primera evidencia de que el bosón de Higgs interactúa con los fermiones de segunda generación.

Además, este resultado proporciona más evidencia de que la tasa de desintegración del Higgs a pares de fermiones es proporcional al cuadrado de la masa del fermión. Esta es una predicción clave de la teoría de Higgs. Con más datos, Se espera que los experimentos del LHC confirmen que de hecho el Higgs da a las partículas fundamentales su masa.

"La importancia de esta medición es que estamos investigando procesos raros que involucran al bosón de Higgs, y estamos en el régimen de investigación de la física de precisión del Higgs donde cualquier desviación de las predicciones del Modelo Estándar puede apuntarnos a una nueva física, "dice Maria Spiropulu, el profesor de física Shang-Yi Ch'en en Caltech.

Científicos que analizan datos de otro instrumento en el LHC, conocido como ATLAS (un aparato toroidal LHC), También encontró evidencia que corrobora la descomposición del bosón de Higgs en muones. Los resultados de ambos experimentos se presentaron en la 40a Conferencia Internacional sobre Física de Altas Energías en agosto de 2020.

"Necesitamos más datos y métodos de análisis inteligentes para confirmar nuestros resultados, pero esta es la primera vez que vemos evidencia de que el bosón de Higgs se descompone en dos muones, "dice Irene Dutta (MS '20), miembro del equipo de Caltech CMS y estudiante de posgrado en el laboratorio de Spiropulu. "Este resultado valida experimentalmente que las predicciones del Modelo Estándar de la física de partículas son acertadas. Incluso una pequeña desviación de nuestro modelo nos diría que algo más está sucediendo, pero hasta ahora el modelo estándar se mantiene firme, "dice Dutta.

En última instancia, el hallazgo ayudará a los científicos a comprender mejor cómo el bosón de Higgs otorga masa a los fermiones. Se puede pensar en el bosón de Higgs como el movimiento o la excitación del campo de Higgs. El campo de Higgs actúa como un jarabe espeso y, a medida que las partículas se mueven a través de él, adquieren masa; cuanto más lento se mueven las partículas a través del campo, cuanto más pesados ​​son (ver video para una ilustración metafórica del concepto).

"Queremos comprender el origen de la masa en nuestro universo, "dice Nan Lu, miembro del equipo de Caltech CMS, becaria postdoctoral en el laboratorio de Spiropulu. "El bosón de Higgs es una herramienta experimental para comprender este mecanismo, y podría ser una herramienta para descubrir nueva física. No podemos observar sistemáticamente el bosón de Higgs u otras partículas elementales, excepto en su manifestación en colisiones de partículas de alta energía, pero son los componentes básicos de nuestro universo, "dice Lu.

El equipo de Caltech contribuyó al nuevo hallazgo mediante la búsqueda de bosones de Higgs producidos por un mecanismo particular en el que dos partículas llamadas quarks también se generan al mismo tiempo (los quarks son otro tipo de fermión). Este proceso es de especial interés porque los dos quarks ofrecen firmas distintas para ayudar a identificar los bosones de Higgs. Lu desarrolló el método para probar la sensibilidad de la búsqueda de CMS para diferentes masas del bosón de Higgs, mejorando así la confianza de los resultados. Dutta trabajó para demostrar el poder de una herramienta de metodología avanzada de inteligencia artificial (IA), conocida como red neuronal profunda, para analizar los datos del LHC.

Tanto Dutta como Lu ayudaron a derivar los resultados finales de sensibilidad. El ex becario postdoctoral de Caltech Joosep Pata, que ahora forma parte de la facultad del Instituto Nacional de Física Química y Biofísica de Estonia, desarrolló métodos novedosos para acelerar el complejo análisis computacional utilizado en el proyecto.

"Probar las propiedades del bosón de Higgs equivale a buscar nueva física que sabemos que tiene que estar ahí", dijo Spiropulu. "Estoy especialmente orgulloso del trabajo de Nan, Irene, Joosep, y todo el grupo Caltech CMS, cuyo talento, diversidad, y los resultados brillan en el panorama de una gran colaboración internacional ".