El CERN detecta una desintegración del bosón de Higgs

Fue, sin duda, uno de los mayores descubrimientos de la ciencia y del CERN: el bosón de Higgs. ¿Pero qué es exactamente esta partícula? Vamos por partes. El campo de Higgs es un campo teórico de energía que está en todo el universo y es responsable de dar masa a las partículas elementales. De este modo, las partículas ganan masa al interactuar con este campo: cuanto más fuerte es la interacción, más pesada es la partícula.

El bosón de Higgs es la manifestación física del campo de Higgs, por así decirlo. Su existencia se confirmó en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN y resulta esencial para comprender por qué algunas partículas tienen masa y otras no… Es decir: ayuda a explicar por qué tenemos los componentes básicos de la materia tal como los conocemos. Sin él, la mayoría de las partículas no tendrían masa y el universo sería muy diferente.

El problema es que el bosón de Higgs es inherentemente inestable y no existe por mucho tiempo en la naturaleza. Se desintegra en otras partículas más estables. Pero no lo hace en un orden específico: algunas son más extrañas que otras. Y las hay que son muy, muy raras.

Estas desintegraciones, en las que el bosón de Higgs se transforma en un par de muones (H→μμ) o en un bosón Z y un fotón (H→Zγ), son tan escasas que solo ocurren en una de cada pocos miles de desintegraciones del bosón de Higgs.

Ahora, un nuevo estudio podría dar claves para el descubrimiento de partículas desconocidas y ayudarnos a desvelar los diversos misterios asociados con “la partícula de Dios”.

Descubrir estas desintegraciones raras no fue fácil. La colaboración ATLAS, un grupo de científicos que trabaja en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, dedicó años a recopilar datos de sus experimentos. El primer reto al que se enfrentaron fue la rareza de estos eventos.

La desintegración del bosón de Higgs en muones ocurre solo en aproximadamente una de cada 5000 desintegraciones del Higgs. Por lo tanto, el equipo tuvo que buscar una señal diminuta en medio de un gran ruido de fondo causado por las interacciones de otras partículas.

Para optimizar la búsqueda, los científicos combinaron datos de las ejecuciones 2 y 3 del LHC, lo que les proporcionó una imagen más completa. Con estos datos mejorados, los autores del estudio utilizaron técnicas avanzadas para filtrar el ruido de fondo y centrarse en los eventos que mostraban indicios de las raras desintegraciones del Higgs.

En el caso de H→μμ, buscaron una pequeña protuberancia en la masa del par de muones, justo a 125 GeV, la masa conocida del Higgs. Por otro lado, la desintegración H→Zγ presentó un reto aún mayor. Nuevos métodos para mejorar la sensibilidad de la búsqueda del bosón Z que se produce en esta desintegración solo se desintegra en pares de electrones o muones aproximadamente el seis por ciento de las veces, y los fotones son notoriamente difíciles de distinguir de los chorros de partículas creados en otros procesos.

En este contexto, ATLAS desarrolló nuevos métodos de análisis para mejorar la sensibilidad de su búsqueda. Al categorizar los eventos según la forma en que se produjo el Higgs y refinar sus criterios de selección, el equipo pudo observar una señal más clara.

Y el trabajo dio sus frutos: para la desintegración H→μμ, lograron una significancia de 3,4 desviaciones estándar, lo que significa que es muy improbable (una entre 3000) que el resultado sea una casualidad estadística.

Esto representó una mejora significativa con respecto a resultados anteriores, que solo mostraban un indicio de la desintegración a un nivel de dos desviaciones estándar. Para la desintegración H→Zγ, el equipo encontró una señal excesiva con 2,5 desviaciones estándar, lo que también representó un avance importante en comparación con resultados previos.

Estos avances podrían tener implicaciones a gran escala. Al descubrir las desintegraciones raras, la colaboración ATLAS abre la puerta a la exploración de la física más allá del Modelo Estándar. Las partículas desconocidas que contribuyen a la desintegración H→Zγ podrían ser un indicio de una física aún inexplorada.

Sin embargo, aún existen desafíos. Si bien estos resultados son innovadores, aún no son definitivos. De cara al futuro, los investigadores de ATLAS planean profundizar en las desintegraciones raras del Higgs con aún más datos de futuras ejecuciones del LHC.

El equipo espera que los datos futuros no solo confirmen estos hallazgos, sino que también revelen más detalles sobre cómo el Higgs interactúa con otras partículas, especialmente aquellas que no se han estudiado tanto, como los fermiones de segunda generación.