Los experimentos del LHC observan un raro proceso con cuatro quarks top, las partículas más masivas conocidas

Las colaboraciones científicas internacionales que operan en los experimentos ATLAS y CMS en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) acaban de anunciar la primera observación de la producción simultánea de cuatro quarks top. El quark top es la partícula elemental más masiva conocida, por lo que requiere mucha energía para producirse. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo, es el único capaz de producir a la vez cuatro quarks top, el proceso más raro que observado hasta la fecha y que produce el estado final más pesado. El Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat de València (UV), participa en el hallazgo.

El quark top, uno de los ladrillos que componen todo lo que vemos en el universo, puede tener la clave del mecanismo que genera la masa, dado que es la partícula elemental más pesada del Modelo Estándar, la teoría que describe el universo visible. El estudio de la producción de cuatro quarks top es particularmente importante, ya que nuevas partículas o fuerzas podrían alterar la probabilidad de producir cuatro quarks top a partir de las predicciones del Modelo Estándar. Es una especie de ‘Santo Grial’ de la búsqueda de ‘nueva física’.

La Colaboración ATLAS, uno de los dos grandes experimentos del LHC donde participan más de 5.000 científicos y técnicos de todo el mundo, había encontrado indicios de la producción simultánea de cuatro quarks top en los datos obtenidos entre 2015 y 2018 (Run 2). Ahora, tras cuatro años de toma de datos y cinco de análisis, el equipo científico de ATLAS ha revisado la búsqueda aprovechando las mejoras en el rendimiento del detector, nuevas técnicas de análisis (entre ellas el aprendizaje automático denominado Graph Neural Network) y una mejor comprensión de los principales procesos de fondo. Todo ello hace que el resultado, presentado la semana pasada en la conferencia de Moriond, alcance los seis sigmas de confianza estadística, confirmando el hallazgo.

Participación española

Los grupos de investigación del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) y del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) han tenido una gran relevancia en la búsqueda de procesos raros con quarks top. Marcel Vos, investigador del CSIC en el IFIC, es el coordinador del grupo de física de top del experimento ATLAS, mientras que Aurelio Juste, investigador del IFAE, es el presidente del consejo editorial que ha revisado la publicación.

“Estamos muy contentos de que finalmente se haya descubierto este proceso. A lo largo de mi trayectoria he podido trabajar en estudios fenomenológicos relacionados antes del inicio del LHC. Es una gran satisfacción ser finalmente testigo de este ‘descubrimiento del Modelo Estándar’ después de todos estos años”, comenta Marcel Vos.

El entusiasmo que provoca el hallazgo en la comunidad científica de física de partículas proviene del espectacular estado final. Con 4 top quarks, las masas restantes suman por sí solas 700 gigaelectronvoltios (GeV), cerca de la energía de colisión máxima alcanzada en el anterior acelerador de partículas más potente, el Tevatron en Fermilab (EE.UU.). El hecho de que el LHC pueda descubrir este proceso es un testimonio del gran poder de esta compleja máquina.

Relación con el bosón de Higgs

Durante esta investigación, el equipo ha buscado también señales de nuevos fenómenos físicos en relación con el bosón de Higgs. Este análisis nuevo les ha llevado a acotar la interacción entre el quark top y el bosón de Higgs, poniendo un límite de 1,8 veces la predicción del Modelo Estándar. Finalmente, también se ha observado un ligero exceso en la tasa en comparación con la predicción del Modelo Estándar, lo que hace que el resultado sea aún más intrigante.

En muchas de las extensiones del Modelo Estándar propuestas la tasa de producción de sucesos con 4 quarks top aumenta. “Con el tiempo se podrá confirmar si es la primera señal de una contribución inesperada de la física a este proceso más allá del Modelo estándar, o si mediciones más precisas en el futuro coincidirán con el modelo. Por ahora, CMS, el otro gran experimento del LHC, también ha confirmado la observación”, apunta el científico del CSIC.

La Colaboración ATLAS continuará impulsando la precisión de esta medición durante el Run 3 del LHC, que está en curso desde 2022. Los estudios futuros brindarán información adicional sobre la señal observada, lo que ayudará a determinar si realmente coincide con el Modelo Estándar o si hay indicios de nuevos fenómenos físicos que conduzcan a una comprensión más profunda de la naturaleza fundamental del universo.