L’IFIC participa en un nou estudi que desvetla la relació del bosó de Higgs amb la partícula més pesada

L'Institut de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València) participa en una recerca internacional que es presenta avui sobre la interacció del bosó de Higgs, el responsable de la massa de les partícules elementals, amb el quark top, la partícula més pesada que es coneix. Aquest nou estudi, realitzat utilitzant tècniques d'Intel·ligència Artificial, és important per a conèixer com les partícules adquireixen massa, a més de ser una forma de cercar 'nova física' en el major accelerador de partícules del món, el Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC) del CERN.

El bosó de Higgs, la partícula responsable de la massa de la resta de partícules elementals, solament interactua amb partícules amb massa. Per açò és important estudiar la seua relació amb la partícula més pesada que es coneix, el quark top. La manifestació més directa d'aquesta relació és l'emissió d'un bosó de Higgs per un quark top i la seua antipartícula, un quark anti-top. Avui es presenten en una conferència a Bolonya (Itàlia) nous resultats que descriuen aquest fenomen, anomenat "procés de producció ttH". Els resultats d'aquest procés obtinguts pels experiments del LHC ATLAS i CMS, amb un significament estadístic major que cinc sigmes (el llindar per a poder proclamar un genuí descobriment), es publiquen avui en la revista Physical Review Letters.

Aquests resultats suposen un gran avanç en el coneixement de les propietats del bosó de Higgs, que es va descobrir en el LHC en 2012. Les troballes dels dos experiments són compatibles entre si i amb les prediccions del Model Estàndard, la teoria que descriu les partícules elementals i les seues interaccions, i ofereixen noves pistes sobre on cercar 'nova física'.

Mesurar aquest procés és un repte, ja que és molt infreqüent: solament un 1% dels bosons de Higgs que es produeixen en el LHC estan associats amb dos quarks top, i, a més, el bosó de Higgs i els quarks top es desintegren en altres partícules de moltes maneres complexes. Les col·laboracions ATLAS i CMS han dut a terme diverses anàlisis independents del procés de producció ttH centrats en les diverses maneres en els quals es desintegra el Higgs amb dades de les col·lisions entre protons del LHC obtinguts durant diversos anys amb energies de 7, 8 i 13 teraelectronvolts (TeV).

María Moreno Llácer, fellow del CERN que va realitzar el seu doctorat en l'Institut de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València), participa en aquestes anàlisis. "La dificultat per a observar la interacció entre el bosó de Higgs i el quark top estreba que cal descartar molts altres processos semblants que es produeixen en les col·lisions del LHC, per la qual cosa utilitzem avançades tècniques estadístiques per a l'exploració de dades mitjançant processos d'aprenentatge automatitzat, cridats genèricament machine learning o Intel·ligència Artificial, per a poder distingir el resultat final de les desintegracions que ens interessen entre les moltes produïdes", afirma Moreno.

Per a la investigadora formada en L'IFIC, és molt important estudiar com es produeixen les interaccions entre el bosó de Higgs i el quark top. "En ser la partícula elemental més pesada, és molt interessant conèixer com el quark top interactua amb el bosó de Higgs, responsable de la massa de totes les partícules. Aquest acoblament és el més intens. A més, si hi ha nova física ha de tractar-se de partícules amb molta massa, molt energètiques, per la qual cosa estudiar aquest procés pot donar-nos pistes de la seua existència. No obstant açò, segueix sent un misteri per què el quark top és més massiu que la pròpia partícula que dóna massa a la resta de partícules elementals", resumeix Moreno.

La investigadora es va formar en el grup de L'IFIC especialitzat en l'estudi del quark top en l'experiment ATLES, mentre Ximo Poveda Torres, actualment staff del CERN, ho va fer en el grup de L'IFIC dedicat a anàlisis relacionades amb el bosó de Higgs. Tots dos han centrat el seu esforç en els últims anys en aquesta anàlisi els resultats de la qual es mostren avui. Els investigadors del grup ATLAS de L'IFIC participen de forma molt activa en estudis de física del quark top i del bosó Higgs, tant en mesures de precisió de les seues interaccions i propietats com en la cerca directa de nous fenòmens. Diversos membres de L'IFIC han ocupat diversos càrrecs de coordinació dins de la col·laboració ATLES, formada per més de 3.000 físics de tot el món, tant en l'estudi del quark top com del bosó de Higgs.

Aquest resultat es produeix pel magnífic funcionament del LHC, l'eficiència dels detectors ATLAS i CMS, l'ús d'avançades tècniques d'anàlisis i la inclusió en aquestes anàlisis de tots els possibles estats finals de les desintegracions de les partícules. No obstant açò, la precisió d'aquestes mesures encara deixa espai per a la presència de nova física. En els pròxims anys, els dos experiments recaptaran molts més dades, sobretot gràcies a la millora que experimentarà el LHC a partir de 2025 (LHC d'Alta Lluminositat o HL-LHC), i millorarà la precisió d'aquestes mesures per a veure si el Higgs revela l'existència de física més enllà del Model Estàndard.