El 4 de julio de 2012 científicos del CERN anunciaban al mundo una de las noticias más esperadas de la física de partículas de las últimas décadas: se había observado el bosón de Higgs. Esta partícula había sido predicha en los años 70 como la partícula portadora del campo de Higgs, que con su interacción con el resto de partículas les daría masa. Tras alrededor de medio siglo buscándola y no encontrándola, al fin aparecía. Se entregó el Nobel a quien la predijo, Peter Higgs, y a quien dirigió los experimentos que la encontraron, François Englert. Desde entonces hemos seguido investigando esta partícula, pues pensamos que podría mostrarnos los entresijos del mundo subatómico.
Los equipos de los experimentos ATLAS y CMS del LHC han estado investigando todas las propiedades del famoso bosón, en busca de algo que no cuadre con las predicciones teóricas que se hicieron hace tantos años. La forma de hacer esto es estudiando cómo este bosón se desintegra en otras partículas más ligeras. La mayoría de desintegraciones serán a productos conocidos, a lo que predice el Modelo Estándar de la física de partículas, pero tenemos la esperanza de que en alguna rara ocasión un determinado bosón de Higgs acabe produciendo partículas hasta ahora nunca vistas.
El producto principal de la desintegración del bosón de Higgs serán dos fotones, la partícula que compone la luz y que es además la encargada de transmitir la interacción electromagnética entre partículas cargadas. Pero también puede producir muchas otras partículas. Uno de los procesos que más interés han despertado es el que resulta en la creación de un bosón Z y un fotón. Al fotón ya lo conocemos, pero el bosón Z es la partícula encargada de transmitir la interacción débil, la única que afecta a los neutrinos (además de la gravedad). De hecho, el bosón Z es una de las partículas que transmite esta interacción. Las otras dos, llamadas bosones W, tienen carga eléctrica, mientras que el Z es neutro eléctricamente.
Esta desintegración de un Higgs en un par Z-fotón es un proceso muy peculiar, porque el bosón de Higgs no es capaz de generar estas partículas directamente, sino que debe tomar un paso intermedio. Es decir, debe formar otras dos partículas diferentes, las cuales acabarán generando la combinación de bosón Z más fotón. Concretamente esto lo hace mediante un “bucle” intermedio. Este bucle estará formado por partículas virtuales, partículas que momentáneamente pueden no seguir leyes físicas tan básicas como la conservación de la energía. El Modelo Estándar predice que un bosón de Higgs como los que hemos observado en el LHC tendrá una probabilidad de aproximadamente el 0’15 % de desintegrarse por este camino, formando un par de partículas virtuales que acaben dando un par Z-fotón.
Algunas de las teorías que van más allá del Modelo Estándar y que podrían servirnos para entender qué es la materia oscura, para unificar las interacciones fundamentales o para explicar la gravedad en términos cuánticos, predicen otras probabilidades. Por ello medir exactamente cuánto ocurren estas desintegraciones puede servirnos para detectar nueva física y validar o rechazar alguna de esas teorías. Según estas teorías, podría haber partículas desconocidas formando parte de esos “bucles” de partículas virtuales, lo cual modificaría la probabilidad final de conseguir el par Z-fotón.
Durante años, los experimentos ATLAS y CMS han estado investigando de manera independiente este proceso, reconstruyendo el bosón Z formado a partir de los subproductos que genera tras su propia desintegración (porque este bosón es altamente inestable). Estos eventos acaban generando un pico en sus gráficas que puede distinguirse del ruido de fondo y del resto de procesos. Dada la importancia de este proceso concreto de desintegración del bosón de Higgs, los equipos de ambos experimentos han decidido unir sus datos para aumentar la sensibilidad de sus análisis. Al contar con mayor cantidad de sucesos registrados, la estadística podrá dar resultados más fiables. Han combinado los datos recogidos durante la segunda fase del LHC, que tuvo lugar entre los años 2015 y 2018. Este esfuerzo, que ha requerido de mucho cómputo y análisis, ha dado sus frutos.
En las figuras adjuntas podemos ver la distribución observada de la masa del par Z-fotón. El pico nos muestra la mayor presencia de este par de partículas cuando aparece un bosón de Higgs de masa cercana a los 125 GeV. La segunda gráfica nos muestra cuál es el valor más probable de la prevalencia de la señal observada en comparación con la predicción del Modelo Estándar para los datos que estamos observando. Es decir, que los datos nos indican que lo que estamos viendo es algo más del doble de procesos en los que un bosón de Higgs produce un par Z-fotón de lo que en principio predecía el Modelo Estándar.
Estos datos tienen una significancia de 3’4 desviaciones estándar, lo que significa que la probabilidad de que estos datos hayan sido causados por una fluctuación estadística (por el azar o la suerte) es menor al 0’04 %. A pesar de que esto parezca una probabilidad bajísima, en experimentos de física de partículas suele considerarse que un resultado es significativo a partir de las 5 desviaciones estándar, lo cual rebajaría la probabilidad de que el resultado sea fruto del azar a un aproximadamente un 0’00003 %.
En definitiva, que los datos muestran que el ritmo al que el bosón de Higgs se desintegra en un bosón Z y un fotón es mayor (algo más del doble) del predicho por el Modelo Estándar de la física de partículas. Actualmente estos datos tienen mayor incertidumbre de la que querríamos, pero parece apuntar en la dirección de que aquí podremos descubrir nueva física. La tercera fase del LHC, que está ahora mismo en proceso, debería aportar aproximadamente el triple de datos de los que fueron analizados para obtener este resultado. Esto permitirá investigar todo este asunto con mucho mayor detalle y tal vez descubrir nuevas pistas sobre la estructura del universo a las más pequeñas escalas.
Referencias:
- A search for the Zγ decay mode of the Higgs boson in pp collisions at 13 TeV with the ATLAS detector, Phys. Lett. B 809 (2020) https://doi.org/10.1016/j.physletb.2020.135754
- Search for Higgs boson decays to a Z boson and a photon in proton–proton collisions at 13 TeV, J. High Energy Phys, 2022, https://doi.org/10.48550/arXiv.2204.12945
- Evidence for the Higgs boson decay to a Z boson and a photon at the LHC (ATLAS-CONF-2023-025)
