El IFIC participa en un nuevo estudio que desvela la relación del bosón de Higgs con la partícula más pesada

El Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València) participa en una investigación internacional que se presenta hoy sobre la interacción del bosón de Higgs, el responsable de la masa de las partículas elementales, con el quark top, la partícula más pesada que se conoce. Este nuevo estudio, realizado utilizando técnicas de Inteligencia Artificial, es importante para conocer cómo las partículas adquieren masa, además de ser una forma de buscar 'nueva física' en el mayor acelerador de partículas del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.

El bosón de Higgs, la partícula responsable de la masa del resto de partículas elementales, solo interactúa con partículas con masa. Por eso es importante estudiar su relación con la partícula más pesada que se conoce, el quark top. La manifestación más directa de esta relación es la emisión de un bosón de Higgs por un quark top y su antipartícula, un quark anti-top. Hoy se presentan en una conferencia en Bolonia (Italia) nuevos resultados que describen este fenómeno, llamado "proceso de producción ttH". Los resultados de este proceso obtenidos por los experimentos del LHC ATLAS y CMS, con una significancia estadística mayor que cinco sigmas (el umbral para poder proclamar un genuino descubrimiento), se publican hoy en la revista Physical Review Letters.

Estos resultados suponen un gran avance en el conocimiento de las propiedades del bosón de Higgs, que se descubrió en el LHC en 2012. Los hallazgos de los dos experimentos son compatibles entre sí y con las predicciones del Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones, y ofrecen nuevas pistas sobre dónde buscar 'nueva física'.

Medir este proceso es un reto, puesto que es muy infrecuente: solo un 1% de los bosones de Higgs que se producen en el LHC están asociados con dos quarks top, y, además, el bosón de Higgs y los quarks top se desintegran en otras partículas de muchos modos complejos. Las colaboraciones ALTAS y CMS han llevado a cabo varios análisis independientes del proceso de producción ttH centrados en los diversos modos en los que se desintegra el Higgs con datos de las colisiones entre protones del LHC obtenidos durante varios años con energías de 7, 8 y 13 teraelectronvoltios (TeV).

María Moreno Llácer, fellow del CERN que realizó su doctorado en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València), participa en estos análisis. "La dificultad para observar la interacción entre el bosón de Higgs y el quark top estriba en que hay que descartar muchos otros procesos parecidos que se producen en las colisiones del LHC, por lo que utilizamos avanzadas técnicas estadísticas para la exploración de datos mediante procesos de aprendizaje automatizado, llamados genéricamente machine learning o Inteligencia Artificial, para poder distinguir el resultado final de las desintegraciones que nos interesan entre las muchas producidas", afirma Moreno.

Para la investigadora formada en L'IFIC, es muy importante estudiar cómo se producen las interacciones entre el bosón de Higgs y el quark top. "Al ser la partícula elemental más pesada, es muy interesante conocer cómo el quark top interactúa con el bosón de Higgs, responsable de la masa de todas las partículas. Este acoplamiento es el más intenso. Además, si hay nueva física tiene que tratarse de partículas con mucha masa, muy energéticas, por lo que estudiar este proceso puede darnos pistas de su existencia. Sin embargo, sigue siendo un misterio por qué el quark top es más masivo que la propia partícula que da masa al resto de partículas elementales", resume Moreno.

La investigadora se formó en el grupo del IFIC especializado en el estudio del quark top en el experimento ATLAS, mientras Ximo Poveda Torres, actualmente staff del CERN, lo hizo en el grupo del IFIC dedicado a análisis relacionados con el bosón de Higgs. Ambos han centrado su esfuerzo en los últimos años en este análisis cuyos resultados se muestran hoy. Los investigadores del grupo ATLAS Del IFIC participan de forma muy activa en estudios de física del quark top y del bosón Higgs, tanto en medidas de precisión de sus interacciones y propiedades como en la búsqueda directa de nuevos fenómenos. Varios miembros del IFIC han ocupado varios cargos de coordinación dentro de la colaboración ATLAS, formada por más de 3.000 físicos de todo el mundo, tanto en el estudio del quark top como del bosón de Higgs.

Este resultado se produce por el magnífico funcionamiento del LHC, la eficiencia de los detectores ATLAS y CMS, el uso de avanzadas técnicas de análisis y la inclusión en dichos análisis de todos los posibles estados finales de las desintegraciones de las partículas. Sin embargo, la precisión de estas medidas todavía deja espacio para la presencia de nueva física. En los próximos años, los dos experimentos recabarán muchos más datos, sobre todo gracias a la mejora que experimentará el LHC a partir de 2025 (LHC de Alta Luminosidad o HL-LHC), y mejorará la precisión de estas medidas para ver si el Higgs revela la existencia de física más allá del Modelo Estándar.