Desde que se descubrió el bosón de Higgs en 2012, Los científicos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) han estado estudiando las propiedades de esta partícula tan especial y su relación con el mecanismo fundamental esencial para la generación de masa de partículas elementales. Una propiedad que queda por verificar experimentalmente es si el bosón de Higgs es capaz de acoplarse a sí mismo, conocido como autoacoplamiento. Tal interacción contribuiría a la producción de un par de bosones de Higgs en las colisiones protón-protón de alta energía del LHC, un proceso increíblemente raro en el Modelo Estándar, ¡más de 1000 veces más raro que la producción de un solo bosón de Higgs! La medición de un autoacoplamiento del bosón de Higgs que sea diferente del valor predicho tendría consecuencias importantes; el universo podría pasar a un estado de menor energía y las leyes que gobiernan las interacciones de la materia podrían tomar una forma muy diferente.

En la conferencia en curso de Rencontres de Moriond, la colaboración ATLAS presentó el resultado de un estudio que explora más a fondo esta cuestión. Los físicos de ATLAS buscaron los dos procesos de producción de pares de Higgs íntimamente relacionados que podrían estar presentes en las colisiones del LHC, aunque solo uno de ellos está relacionado con el autoacoplamiento del bosón de Higgs y contribuye favorablemente a la producción de pares de Higgs cuando su masa total es baja. Estos dos procesos interfieren mecánicamente cuánticamente y suprimen la producción de pares de bosones de Higgs en el Modelo Estándar. Si está en juego un nuevo fenómeno de la física, podría cambiar el autoacoplamiento del bosón de Higgs y ATLAS podría ver más pares de bosones de Higgs de lo esperado, o en el lenguaje de la física de partículas, medir una sección transversal más alta.

Para su nuevo estudio, Los físicos de ATLAS han desarrollado nuevas técnicas de análisis para buscar el raro proceso en el que uno de los dos bosones de Higgs se desintegra en dos fotones y el otro en dos quarks inferiores (HH → ɣɣbb). Primero, dividieron los eventos de colisión protón-protón en regiones de masa baja y alta, para optimizar la sensibilidad al autoacoplamiento del bosón de Higgs. Luego, utilizando un algoritmo de aprendizaje automático, separaron los eventos que se parecen al proceso HH → ɣɣbb de los que no lo son. Finalmente, determinaron la sección transversal para la producción de pares de Higgs y observaron cómo varía en función de la relación entre el autoacoplamiento del bosón de Higgs y su valor del Modelo Estándar. Esto permitió a ATLAS restringir el autoacoplamiento del bosón de Higgs, entre –1,5 y 6,7 veces la predicción del modelo estándar, y también la sección transversal de producción de pares de Higgs. El resultado del autoacoplamiento del bosón de Higgs es más del doble de poderoso que el resultado anterior de ATLAS en el mismo canal de desintegración del par de Higgs.

Aunque este resultado establece las mejores restricciones del mundo sobre el tamaño del autoacoplamiento del bosón de Higgs, el trabajo apenas comienza. Esta es una vista previa de lo que está por venir, ya que se necesitarían muchos más datos para observar el autoacoplamiento del bosón de Higgs si estuviera cerca de su predicción del Modelo Estándar. La observación del autoacoplamiento del bosón de Higgs es de hecho una de las razones de ser del programa High-Luminosity LHC (HL-LHC), una actualización del LHC programada para comenzar a operar a fines de la década de 2020. Se espera que el HL-LHC proporcione un conjunto de datos más de 20 veces mayor que el utilizado en este análisis y que funcione con una energía de colisión más alta. Si la producción de pares de Higgs es la predicha por el modelo estándar, debe observarse en este enorme conjunto de datos, y se hará una declaración más cuantitativa sobre la fuerza del acoplamiento del bosón de Higgs consigo mismo.