Primera evidencia de la interacción del bosón de Higgs con el muon

Los experimentos CMS  y ATLAS del CERN presentaron en la conferencia ICHEP 2020 (International Conference on High Energy Physics) resultados que muestran claramente por primera vez evidencia de que el bosón de Higgs  se desintegra en dos muones. Los muones son partículas elementales similares a los electrones pero con una masa unas doscientas veces superior.  ICHEP 2020, 40ª Conferencia Internacional de Física de Altas Energías, es uno de los eventos de referencia en el campo de la Física de Partículas. Este año por motivos de seguridad se está desarrollando de forma 100 % virtual. La medida de este nuevo canal de desintegración del bosón de Higgs supone uno de los resultados más relevantes que los experimentos del CERN presentan este año en ICHEP. El grupo de Física de Partículas CIEMAT-FP es miembro de la colaboración CMS.

El proceso por el que un bosón de Higgs se desintegra en un par de muones es un fenómeno poco frecuente, que solo experimenta uno de cada 5000 bosones de Higgs. Estos nuevos resultados tienen una importancia fundamental, ya que demuestran por primera vez que el bosón de Higgs interactúa con partículas elementales de la segunda generación de partículas elementales.

Fig. 1 –  Evento procedente de una colisión protón-protón de energía 13 TeV en el centro de masas, recogido por el experimento CMS en 2018. En este evento un candidato a bosón de Higgs se descompone en un par de muones, indicados por las líneas rojas.

Los experimentos ATLAS y CMS han analizado este canal de forma independiente. La contribución del grupo CIEMAT-FP a estas medidas ha sido fundamental. Una parte sustancial del detector de muones (cámaras DT) y su electrónica asociada fue construida en el CIEMAT, y este grupo está involucrado en numerosos canales de estudio del bosón de Higgs. Además, en la actualidad quien asume la responsabilidad del subdetector DT, del sistema completo de muones y del grupo de estudios del bosón de Higgs es personal investigador del grupo CIEMAT-FP.

El modelo estándar (ME) de física de partículas describe las partículas fundamentales conocidas en el Universo y sus interacciones. Una de las incógnitas aún por resolver es la gran variedad de masas observada en las partículas elementales. Las partículas en el modelo estándar tienen masas que van desde el neutrino (casi sin masa) hasta el quark top, con una masa varios cientos de miles de veces más pesada que la del electrón. El ME postula la existencia del campo de Higgs, que ocupa todo el espacio. La interacción entre el campo de Higgs y cada partícula generaría la masa de éstas. Si bien se sabe ahora que el campo de Higgs le da masa a las partículas, no se entiende todavía por qué cada tipo de partícula resulta tener una masa diferente.

Fig. 2 – Distribución de masa invariante de pares de muones medida por CMS. En el panel inferior se sustraen de los datos el fondo predicho (todos aquellos procesos compatibles con una desintegración a pares de muones sin incluir el bosón de Higgs). Se observa un exceso de eventos en los datos (línea roja) consistente con la presencia de un bosón de Higgs en un par de muones.

Es decir, la intensidad de la interacción con el campo de Higgs es diferente para cada partícula, y esto sigue siendo un misterio dentro del ME. Este rompecabezas es particularmente relevante ya que los quarks y leptones en el ME se pueden ordenar de acuerdo con sus propiedades en tres familias, llamadas generaciones;  una de las diferencias principales entre generaciones es precisamente la masa. La razón por la que hay tres generaciones tampoco se conoce. Por lo tanto, es importante caracterizar las propiedades de las partículas en las tres generaciones. 

El bosón de Higgs fue descubierto por las colaboraciones ATLAS y CMS en 2012  y es la manifestación del campo de Higgs. Los bosones de Higgs producidos en colisiones de protón-protón del LHC se desintegran casi instantáneamente en otras partículas fundamentales. Al medir la tasa de desintegración del bosón de Higgs en una partícula determinada, se puede inferir la fuerza de interacción entre el campo de Higgs y esa partícula. Por lo tanto, estas medidas prueban directamente el mecanismo predicho por el cual las partículas adquieren masa. Desde el descubrimiento del bosón de Higgs, se ha hecho un esfuerzo enorme para comprender si los acoplamientos del bosón de Higgs con el resto de partículas fundamentales se ajustan a las predicciones del ME. Las medidas realizadas hasta ahora se han centrado en las interacciones del bosón de Higgs con las partículas más masivas, como los bosones W y Z, y los fermiones  de la tercera generación, los quarks top y bottom  y el leptón tau. La interacción del bosón de Higgs con los fermiones de la segunda generación, más ligeros, no había sido probada hasta ahora experimentalmente. Medir la interacción del Higgs con todas las partículas elementales es una prueba crítica para comprender si el campo de Higgs puede explicar el rango completo de masas de las partículas conocidas. 

La desintegración del bosón de Higgs en pares de muones es muy poco frecuente; tan solo uno de cada cinco mil bosones de Higgs aproximadamente se desintegra en muones. En comparación, aproximadamente uno de cada 16 se desintegra en un par de leptones taus y casi  uno de cada dos en un par de quarks bottom. Además, por cada bosón de Higgs que se desintegre en muones en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones), se esperan aproximadamente mil procesos distintos que producirán pares de muones similares al estado final del bosón de Higgs. Este fondo de otras partículas (como los bosones Z) hace que aislar la señal de la desintegración del bosón de Higgs en muones en el LHC sea extremadamente difícil.

Fig. 3 – Valores de los acoplamientos del bosón de Higgs a otras partículas fundamentales medidos por CMS. Las predicciones del ME están representadas en la línea discontínua. En el panel inferior se muestra la relación entre el acoplamiento medido y la predicción del ME. Este nuevo resultado de CMS presenta la primera medida del acoplamiento del bosón de Higgs al muon, indicado por el punto más a la izquierda.

El experimento CMS (Compact Muon Solenoid) es uno de los dos experimentos multipropósito asociados al acelerador LHC. Uno de los objetivos fundamentales a la hora de diseñar CMS fue precisamente la medida y el estudio del bosón de Higgs y otras hipotéticas partículas elementales por descubrir. 

El resultado presentado por CMS muestra una evidencia de la existencia del proceso con una significación estadística de 3 sigmas según el lenguaje comúnmente aceptado en el campo, lo que significa que las posibilidades de confundir un proceso estándar de producción de dos muones con un bosón de Higgs debido a una fluctuación estadística es menor que uno en 700. El resultado de dos sigma de ATLAS significa que las posibilidades son una en 40. La mayor señal observada en CMS se debe a su mejor capacidad de identificar y medir muones de alto momento.

«CMS está particularmente bien equipado para medir muones con alta precisión, lo que ha hecho posible este resultado, la primera evidencia de que el bosón de Higgs interactúa con una partícula de la segunda generación. Gracias a los datos que tomaremos en futuras campañas de toma de datos, podremos mejorar la precisión de estos estudios», según el Prof. Roberto Carlin, responsable del experimento CMS. El conjunto de datos utilizado para esta medida procede de las colisiones registradas en el segundo periodo de toma de datos o Run 2 (2016-2018).

Para medir muones el detector CMS combina la información de un detector de trazas interno que mide las trayectorias de partículas cargadas con alta precisión, y el sistema de muones en la parte externa del experimento. Este sistema es un conjunto formado por tres tipos distintos de detectores gaseosos diseñados específicamente para la identificación y medida precisa de muones de alta energía. Aproximadamente el 30 % de las cámaras de tubos de deriva de la parte central de CMS (DTs) y su electrónica asociada se construyeron en el CIEMAT. «El excelente sistema de muones de CMS, que ya en su día fue esencial para el descubrimiento del Higgs, ha resultado crucial ahora para identificar con muy alta eficiencia los muones originados por este nuevo proceso», según la Dra. Mary-Cruz Fouz, actual responsable del sistema de muones e investigadora del grupo CIEMAT-FP.

En  la base de la  selección de  los eventos que contribuyen a este resultado se encuentra un sistema de disparo que  identifica y filtra muones on line (unas 40 millones de veces por segundo) de manera  altamente eficiente y con un número muy bajo de «falsos positivos».  Posteriormente el sistema de lectura permite la reconstrucción off line de las características del muon con mucha precisión.  Estos sistemas, en la zona central de CMS,  dependen esencialmente de las cámaras DT ya mencionadas y,  precisamente, la mayoría  de los  datos  que contribuyen a este análisis, de 2016 a 2018, fueron tomados usando nuevos sistemas de  electrónica de disparo y lectura de DTs. Este sistema fue desarrollado por ingenieros, físicos y técnicos del CIEMAT liderados por la Dra. Cristina Fernández, una de las investigadoras principales del proyecto de mejora y actualización de CMS – CIEMAT y ha demostrado unas excelentes prestaciones durante la toma de datos, permitiendo tomar datos a una luminosidad mayor que la de diseño de LHC. Estas extraordinarias capacidades de identificación y reconstrucción han hecho posible obtener estos resultados.

La sensibilidad de la medida  se ha mejorado significativamente con respecto a los resultados anteriores. La estrategia de reducción de fondo incluye técnicas sofisticadas de aprendizaje automático como redes neuronales profundas que ayudan a diferenciar la señal del fondo sustancial. La característica esperada de la desintegración del bosón de Higgs en muones es un pequeño exceso de eventos en la masa invariante de pares de muones cerca de la masa del bosón de Higgs de 125 GeV. «Obtener la evidencia del acoplamiento del Higgs a los fermiones de la segunda generación con los datos del Run-2 del LHC ha supuesto todo un desafío experimental, y ha requerido el trabajo conjunto de la colaboración», tal como declara la Dra. María Cepeda, responsable del grupo de estudio del bosón de Higgs en CMS.

Debido a que la desintegración del bosón de Higgs en un par de muones es tan poco frecuente, la calidad de este resultado está limitada principalmente por la cantidad de colisiones proporcionadas hasta ahora por el acelerador LHC. Se espera que dicha cantidad se duplique durante el próximo periodo de toma de datos de LHC o Run-3, lo que permitirá mejorar sensiblemente la medida. El proyecto de LHC de alta luminosidad (HL-LHC), (actualmente en desarrollo y preparación) pretende recoger diez veces más datos que los disponibles hasta el momento. El CIEMAT es responsable del desarrollo y construcción de la electrónica del sistema de lectura de datos y disparo de las cámaras DT. «A más largo plazo -según el doctor Juan Alcaraz, uno de los investigadores principales del proyecto coordinado CMS-CIEMAT-UAM (Universidad Autónoma de Madrid) y ex coordinador científico del experimento CMS-  las enormes cantidades de datos que el LHC recogerá en su fase de alta luminosidad permitirán la medida de ésta y otras propiedades del bosón de Higgs con una precisión un orden de magnitud superior a las actuales. Ello conducirá a establecer un primer mapa detallado de un sector aun prácticamente inexplorado del modelo estándar de física de partículas.»

Fuente: CIEMAT

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