Observen la interacció entre el bosó de Higgs i el quark top, la partícula elemental més massiva

05/06/2018

La col·laboració ATLAS al CERN ha anunciat l'observació de successos amb un bosó de Higgs produït juntament amb un parell de quarks top. Observar aquest procés extremadament rar és un resultat important ja que permet als físics comprovar paràmetres crítics del mecanisme d'Higgs en el model estàndard.

El resultat sorgeix de l'anàlisi de les dades aconseguides per l'experiment ATLAS al Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC, per les sigles en anglès) i concorda amb una observació recent de la col·laboració CMS, també al LHC. La significació estadística aconseguida és de 6.3 desviacions estàndard per al resultat d'ATLAS i 5.2 desviacions estàndard per al resultat de CMS.

"Aquesta mesura constitueix un assoliment històric en l'exploració del mecanisme de Higgs i la interacció de partícules del Model Estàndard amb el bosó de Higgs. Proporciona evidència directa que la partícula més pesada coneguda, el quark top, interactua amb la intensitat prevista amb el bosó de Higgs ", diu Karl Jakobs, portaveu d'ATLAS.

El resultat s'ha anat acumulant lentament al llarg d'anys d'observacions fins a aconseguir la primera evidència significativa que va publicar ATLAS el passat desembre.
 
Contribució espanyola al resultat i desafiament experimental

El grup d'ATLAS de l'Institut de Física d'Altes Energies (IFAE) participa en els estudis de producció de quarks top associats amb el bosó de Higgs des de 2011. Des de llavors, i en particular en el resultat presentat ara, el grup de l’IFAE s'ha centrat en l'estudi de la cadena dominant de desintegració del bosó Higgs a una parella de quarks bottom. L'investigador Aurelio Juste (IFAE / ICREA), actual colíder del grup de IFAE en ATLAS, va ser coordinador del grup de treball corresponent dins d'ATLAS durant 2013-2015, quan es va construir un ambiciós programa de recerques d'aquest important procés que finalment ha donat el seu fruit.

Atès que només l'1% de tots els bosons de Higgs es produeixen en associació amb quarks top, la seva observació ha estat tot un desafiament experimental. Els físics d'ATLAS van examinar cinc anys de dades de col·lisions per arribar a aquest resultat. "Aquesta ha estat una de les recerques més exigents dutes a terme per la col·laboració ATLAS i ha requerit un esforç concertat de diversos equips d'anàlisi", diu Fabio Cerutti, coordinador del grup de treball d'ATLAS Higgs. "Com que és un procés tan estrany, vam haver de mirar a través de diferents canals de desintegració del bosó de Higgs. Alguns d'ells estaven limitats per incerteses experimentals, mentre que altres per la quantitat de dades que recopilem. Únicament a través de la combinació de totes aquestes anàlisis diferents, vam poder aconseguir aquesta observació".

Per què les partícules tenen la massa que tenen?

El nou resultat també pot proporcionar idees sobre un dels aspectes més desconcertants del Model Estàndard: la gran diferència en el valor de les masses dels fermions, la classe de partícules que inclouen quarks i leptons, i que constitueixen la matèria que coneixem.
Comprendre la naturalesa de la massa del quark top seria de gran ajuda per resoldre aquest misteri. "La mesura obtinguda dóna una forta indicació que el bosó de Higgs té un paper clau en el fet que la massa del quark top sigui tan alta", diu Cerutti. "Si bé aquest és sens dubte un fet esperat del Model Estàndard, aquesta és la primera vegada que s'ha comprovat experimentalment amb una gran significació estadística".
 
Perspectives futures

El resultat obtingut obre noves possibilitats d'anàlisi per a l'experiment ATLAS. Gràcies a la gran quantitat de dades produïdes pel Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC), els investigadors podran estudiar el bosó de Higgs en interaccions encara més rares per primera vegada. Aquests estudis continuaran desafiant els límits del Model Estàndard i poden obrir noves vies de descobriment.

"La potència total de tot el conjunt de dades recopilades durant el run 2 de l'LHC, inclosos els realitzats fins al final d'aquest any, es farà servir en el futur per millorar la precisió d'aquest resultat i buscar desviacions més petites amb incerteses experimentals reduïdes" , conclou Jakobs. "Una combinació de totes les mesures del bosó de Higgs al final del run 2 serà important i emocionant".

En els experiments ATLAS i CMS participen científics i enginyers de diversos centres d'investigació espanyols. En ATLAS participen l'Institut de Física d'Altes Energies (IFAE), institut de recerca universitari adscrit a la UAB, l'Institut de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València), i la Universitat Autònoma de Madrid. Per la seva banda, en l'experiment CMS col·laboren la Unitat de Física de Partícules del CIEMAT, l'Institut de Física de Cantàbria (IFCA, CSIC-Universitat de Cantàbria), la Universitat d'Oviedo i la Universitat Autònoma de Madrid. Tots aquests centres participen en la Xarxa Consolider CPAN (Centre Nacional de Física de Partícules, Astropartícules i Nuclear).
 
Article de referència:

“Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector”, ATLAS Collaboration, arXiv:1806.00425 [hep-ex]
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.231801