Los físicos de partículas han detectado por primera vez una nueva desintegración del bosón de Higgs, lo que revela una ligera discrepancia en las predicciones del modelo estándar y quizás apunta a una nueva física más allá de él. Los hallazgos se publican en la revista Physical Review Letters. .
El bosón de Higgs, predicho teóricamente desde los años 60, fue finalmente detectado en 2012 en el laboratorio del CERN en Europa. Como campo cuántico, impregna todo el espacio, a través del cual se mueven otras partículas, adquiriendo masa a través de su interacción con el campo de Higgs, que puede imaginarse aproximadamente como una especie de resistencia a su movimiento.
Muchas propiedades del bosón de Higgs, incluida la forma en que interactúa con otras partículas y sus campos asociados, ya se han medido para que sean consistentes con las predicciones del Modelo Estándar.
Pero un modo de desintegración de Higgs que aún no se había investigado era una predicción teórica de que un bosón de Higgs ocasionalmente se desintegraría y produciría un fotón, el cuanto de luz, y un bosón Z, que es una partícula sin carga que, junto con los dos bosones W, transmite la fuerza débil.
Los científicos de las colaboraciones ATLAS y CMS en el CERN utilizaron datos de colisiones protón-protón tomadas en la Ejecución 2 de 2015 a 2018 para buscar esta desintegración particular del fotón Z+ de Higgs. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN es el acelerador de partículas de alta energía cerca de Ginebra, Suiza, que hace circular protones en direcciones opuestas mientras los hace chocar en puntos detectores específicos, millones de veces por segundo.
Para esta carrera, la energía en la colisión de los dos protones fue de 13 billones de electronvoltios, justo por debajo del máximo actual de la máquina, que en unidades más identificables es de 2,1 microjulios. Se trata de la energía cinética de un mosquito promedio, o un grano de sal, que viaja un metro por segundo.
La teoría predice que unas 15 veces por cada 10.000 desintegraciones, el bosón de Higgs debería desintegrarse en un bosón Z y un fotón, la desintegración más rara en el modelo estándar. Lo hace produciendo primero un par de quarks superiores, o un par de bosones W, que luego se desintegran en Z y fotón.
La colaboración Atlas/CMS, trabajo de más de 9.000 científicos, encontró una "proporción de ramificación", o fracción de desintegraciones de 34 veces por 10.000 desintegraciones, más o menos 11 por 10.000:2,2 veces el valor teórico.
La fracción medida es demasiado grande:3,4 desviaciones estándar por encima del valor teórico, un número aún demasiado pequeño para descartar una casualidad estadística. Aún así, la diferencia relativamente grande sugiere la posibilidad de una discrepancia significativa con la teoría que podría deberse a la física más allá del Modelo Estándar:nuevas partículas que son intermediarias además del quark top y los bosones W.
Una posibilidad para la física más allá del modelo estándar es la supersimetría, la teoría que postula una simetría (una relación) entre partículas de medio espín, llamadas fermiones, y espínes enteros, llamados bosones, donde cada partícula conocida tiene un compañero con un espín diferente. por un medio entero.
Muchos físicos teóricos han sido durante mucho tiempo defensores de la supersimetría, ya que resolvería muchos de los enigmas que afectan al modelo estándar, como la gran diferencia (10 24 ) entre las intensidades de la fuerza débil y la gravedad, o por qué la masa del bosón de Higgs, aproximadamente 125 gigaelectrones voltios (GeV), es mucho menor que la gran escala de energía de unificación de aproximadamente 10 16 GeV.
En el experimento, el enorme bosón Z se desintegra en aproximadamente 3 × 10 -25 segundos, mucho antes de que llegara a un detector. Entonces, los experimentadores lo compensaron observando la energía de los dos electrones o dos muones que produciría la desintegración de Z, lo que requería que su masa combinada fuera superior a 50 GeV, una fracción significativa de la masa de Z de 91 GeV.
"Este excelente resultado se obtuvo en colaboración con CMS. Según la predicción del modelo estándar, es el estado final más raro del bosón de Higgs, del que hemos visto las primeras pruebas", afirmó Andreas Hoecker, portavoz de la colaboración ATLAS. P>
"La desintegración se produce a través de bucles cuánticos y, por tanto, es sensible a la nueva física de forma similar, aunque no exactamente igual, a la desintegración de dos fotones, que contribuyó al descubrimiento del bosón de Higgs por parte de ATLAS y CMS en 2012."
"Este resultado es impresionante por varias razones", añadió Monica Dunford de la colaboración ATLAS Physics. "Somos capaces de medir experimentalmente con tanta precisión estos procesos tan raros. Son una poderosa prueba del Modelo Estándar y las posibles teorías más allá de él."
Dunford añade que los grupos adquirieron nuevos datos durante la ejecución 3 en el CERN, que comenzó en julio de 2022, con 13,6 TeV de energía total. Aún más datos provendrán del Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad, que proporcionará aproximadamente cinco veces más colisiones protón-protón por segundo. Se prevé que el HL-LHC entre en funcionamiento en 2028.
"Estos resultados son un adelanto de lo que seguiremos siendo capaces de lograr", afirmó Dunford.
Más información: G. Aad et al, Evidencia de la desintegración del bosón de Higgs en un bosón Z y un fotón en el LHC, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.021803
Información de la revista: Cartas de revisión física
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