L'IFIC lidera un estudi que revela noves evidències sobre com el bosó de Higgs interactua amb el quark top

El seu treball abasta tant l'anàlisi de dades com la construcció, operació i actualització del propi detector. Tots les seues investigadores i investigadors participen activament en estudis relacionats amb el quark top i el bosó de Higgs, a més d'en la busca de matèria fosca o senyals de supersimetria, entre altres possibles indicis de nova física més enllà del Model Estàndard.

Un gran nou pas per a entendre la interacció entre el bosó de Higgs i el quark top i com este pot revelar nova física

L'experiment ATLAS, un dels grans detectors del LHC, ha fet un pas important per a entendre com el bosó de Higgs, la partícula que dona massa a les altres, interactua amb el quark top, la partícula elemental més pesada coneguda. Per primera vegada, les científiques i científics de la col·laboració ATLAS han realitzat una busca optimitzada específicament per a estudiar la producció conjunta d'un únic quark top i un bosó de Higgs (denominada tH), un procés extremadament rar dins del Model Estàndard i encara no observat experimentalment. Este resultat acosta a la comunitat científica a mesurar amb major precisió l'acoblament entre les dos partícules, una interacció clau del Model Estàndard de física de partícules.

La producció associada del bosó de Higgs amb un parell format per un quark top i un antiquark top ja ha sigut observada en ATLAS i CMS, però produir un bosó de Higgs al costat d'un sol quark top continua sent un dels processos menys explorats. Este mecanisme és especialment interessant perquè, a causa de com intervé en ell l'acoblament del bosó de Higgs al quark top, comparar la seua taxa de producció amb la predita pel Model Estàndard podria revelar indicis de l'anomenada violació de la simetria CP, un fenomen relacionat amb la diferència entre matèria i antimatèria. Atés que el Model Estàndard no explica del tot per què l'Univers està compost quasi exclusivament de matèria, qualsevol pista en esta direcció resulta especialment rellevant.

Per primera vegada, les científiques i científics de la col·laboració ATLAS han realitzat una busca optimitzada específicament per a estudiar la producció conjunta d'un únic quark top i un bosó de Higgs (denominada tH), un procés extremadament rar dins del Model Estàndard i encara no observat experimentalment. Este resultat acosta a la comunitat científica a mesurar amb major precisió l'acoblament entre les dos partícules, una interacció clau del Model Estàndard de física de partícules

El papee de l'IFIC en l'anàlisi

Els doctors formats en l'IFIC, Pablo Martínez Agulló i Jesús Guerrero Rojas, sota la direcció del personal investigador Susana Cabrera Urbán i Carlos Escobar Ibáñez (qui a més coordina el grup de treball d'ATLAS encarregat d'estes anàlisis i d'uns altres que estudien diferents desintegracions del bosó de Higgs, així com la combinació de tots els canals experimentals per a augmentar la sensibilitat) han exercit un paper essencial en este treball, que forma part de les seues tesis doctorals. La seua anàlisi s'ha centrat en les desintegracions del bosó de Higgs en diferents tipus de partícules, la qual cosa ha permés explorar diversos canals experimentals sensibles a la producció tH. En estes col·lisions poden produir-se diversos leptons, un tipus de partícula lleugera: els més comuns són els electrons, els muons (electrons més pesats) i els leptons tau (més pesats i de vida més curta).

L'anàlisi més sensible fins a la data i el seu futur

A pesar que el procés tH és extraordinàriament rar (amb una secció eficaç inclusiva de 74.3 fb) i que encara no s'ha pogut observar de manera experimental, la nova anàlisi d'ATLAS ha aconseguit establir els límits més estrictes obtinguts fins ara per a este procés. En concret, ATLES establix que la taxa de producció del procés tH en les col·lisions del LHC no supera unes 14 vegades la predicció del Model Estàndard amb un 95% de fiabilitat estadística. Este avanç no sols demostra l'enorme repte experimental que suposa estudiar un senyal tan feble entre milions de col·lisions, sinó que també confirma que les tècniques desenrotllades (des de l'ús combinat de múltiples canals fins a mètodes avançats d'intel·ligència artificial per a la identificació de leptons, la reconstrucció de desintegracions del bosó de Higgs o la discriminació entre senyal i soroll) estan funcionant al nivell requerit per a futures busques.

En escenaris alternatius on la interacció entre el Higgs i el quark top tindria un comportament diferent del predit pel Model Estàndard, com aquells en els quals esta interacció canviaria en invertir matèria per antimatèria (el que es coneix com una component CP-imparell), l'experiment obté una cota superior encara més restrictiva respecte a l'escenari del Model Estàndard, de 2.4. Encara que estes xifres indiquen que encara no es pot afirmar la seua observació experimental, representen un avanç essencial, perquè demostren que la sensibilitat de l'experiment està millorant ràpidament i que els mètodes desenrotllats ja aconseguixen el nivell requerit perquè futures campanyes de dades, especialment en el LHC d'alta lluminositat (HL-LHC de les seues sigles en anglés), permeten estudiar amb molta major sensibilitat l'acoblament entre el bosó de Higgs i el quark top, una de les interaccions més importants per a comprendre per què les partícules tenen massa i quin paper juga el bosó de Higgs en l'evolució de l'Univers.