Para explicar las masas de bosones electrodébiles, los bosones W y Z, los teóricos de la década de 1960 postularon un mecanismo de ruptura espontánea de la simetría. Si bien este formalismo matemático es relativamente simple, su piedra angular, el bosón de Higgs, pasó desapercibida durante casi 50 años.

Desde su descubrimiento en 2012, Los investigadores de los experimentos ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN han investigado incansablemente las propiedades del bosón de Higgs. Han medido que su masa es de alrededor de 125 GeV, que es aproximadamente 130 veces la masa del protón en reposo, y han descubierto que tiene cero carga eléctrica y giro.

La imagen del espejo

Los investigadores se propusieron determinar las propiedades de paridad del bosón de Higgs midiendo sus desintegraciones a pares de bosones W (H → WW *), Bosones Z (H → ZZ *) y fotones (H → γγ). A través de estas medidas, confirmaron que el bosón de Higgs tiene paridad de carga uniforme (CP). Esto significa que, como predice el modelo estándar, las interacciones del bosón de Higgs con otras partículas no cambian cuando se "mira" en el espejo CP.

Como cualquier distorsión en este espejo de CP (o "violación de CP en interacciones de Higgs"), como el aditivo CP-impar, indicaría la presencia de fenómenos aún no descubiertos, Los físicos del LHC están examinando con mucho cuidado las fortalezas de los acoplamientos del bosón de Higgs. Un nuevo resultado de la colaboración ATLAS, lanzado para la conferencia Higgs 2020, tiene como objetivo enriquecer la imagen de Higgs mediante el estudio de sus desintegraciones WW *.

Un nuevo estudio de ATLAS examina la naturaleza CP del acoplamiento efectivo entre el bosón de Higgs y los gluones (las partículas mediadoras de la fuerza fuerte). Hasta ahora, la producción inducida por fusión de gluones de un bosón de Higgs, en asociación con dos chorros de partículas, no se había estudiado en un análisis específico. El estudio de este mecanismo de producción es una excelente manera de buscar signos de violación de CP, ya que afecta a la cinemática del bosón de Higgs, dejando un rastro en el ángulo azimutal entre los chorros medidos por ATLAS.

Filtro de polarización

A altas energías, las fuerzas débiles y electromagnéticas se fusionan en una sola fuerza electrodébil. Sin embargo, a bajas energías, Las ondas electromagnéticas (como la luz) pueden viajar una distancia infinita, mientras que las interacciones débiles tienen un rango finito. Esto se debe a que, a diferencia de los fotones (los portadores de la fuerza electromagnética), Los bosones W y Z son masivos. Sus masas se originan a partir de interacciones con el campo de Higgs.

Otra diferencia es que las ondas electromagnéticas son transversales; Las oscilaciones en el campo electromagnético solo ocurren en el plano perpendicular a su propagación. Bosones W y Z, por otra parte, tienen polarizaciones tanto longitudinales como transversales debido a sus interacciones con el campo de Higgs. Existe una interacción sutil entre estas polarizaciones longitudinales y las masas de bosones que asegura que las predicciones del Modelo Estándar sigan siendo finitas.

Si el bosón de Higgs no fuera una partícula escalar fundamental, y en cambio una entidad que surge de nuevas dinámicas, un mecanismo diferente (más complicado) tendría que dar masa a los bosones W y Z. En cuyo caso, los acoplamientos medidos del bosón de Higgs con bosones electrodébiles pueden desviarse de los valores predichos del modelo estándar.

La Colaboración ATLAS ha publicado su primer estudio de acoplamientos individuales del bosón de Higgs dependientes de la polarización con bosones electrodébiles masivos. Específicamente, Los físicos examinaron la producción de bosones de Higgs a través de la fusión vector-bosón en asociación con dos chorros. Del mismo modo que un filtro polarizador le ayuda a tomar una imagen más nítida en una playa al absorber selectivamente la luz polarizada, Este nuevo estudio ATLAS investigó acoplamientos individuales de bosones de Higgs con bosones electrodébiles polarizados longitudinal y transversalmente. Más lejos, similar al estudio del acoplamiento del bosón de Higgs a los gluones, la presencia de un nuevo mecanismo impactaría la cinemática de los chorros medidos por ATLAS.

¡Sigue esos chorros!

El principal desafío de estos análisis es la rareza de los eventos del bosón de Higgs que se están estudiando. Para las selecciones de señales estudiadas en el nuevo resultado de ATLAS, solo se observan alrededor de 60 bosones de Higgs a través de la fusión de gluones y solo 30 bosones de Higgs a través de la fusión de vector-bosón. Mientras tanto, los eventos de fondo son casi cien veces más abundantes. Para afrontar este desafío, Ambos análisis no solo contaron eventos, sino que también observaron las formas del ángulo azimutal (el ángulo transversal a la dirección de los haces de protones) entre los dos chorros. La correlación entre estos chorros ha ayudado a resolver las propiedades de la producción del bosón de Higgs.

Los investigadores utilizaron la técnica de transformación de parámetros para interpolar y extrapolar la distribución de este ángulo de un pequeño conjunto de puntos de referencia de acoplamiento a una gran variedad de escenarios de acoplamiento. Las distribuciones ajustadas del ángulo azimutal entre los chorros se muestran en las Figuras 1 y 2.

Hasta aquí, ambas distribuciones no muestran signos de nueva física. Una vez que se analizan más datos del LHC (estos estudios solo incluyen datos recopilados en 2015 y 2016), las áreas sombreadas en los gráficos que representan la incertidumbre de la medición deben disminuir. Esto proporcionará una imagen aún más nítida del bosón de Higgs.