Desde el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, los físicos han realizado progresos considerables en la exploración de sus propiedades. ¿Significa esto que el tema está cerrado? ¡Lejos de ello!
En nuevos resultados presentados durante la Conferencia de la Sociedad Europea de Física sobre Física de Altas Energías (EPS-HEP) en Marsella este año, la colaboración ATLAS se ha centrado en una desintegración excepcionalmente rara del bosón de Higgs, utilizando los datos recopilados durante la fase 3 (Run-3) del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Este estudio ofrece perspectivas profundas sobre cómo el comportamiento del bosón de Higgs se alinea con las predicciones del modelo estándar.
El detector ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).
Crédito: CERN
El equipo ATLAS del Irfu posee una larga experiencia en la búsqueda del bosón de Higgs y ha contribuido significativamente al descubrimiento del bosón de Higgs y luego a la medición de sus propiedades. El equipo está fuertemente involucrado en este análisis de la desintegración del bosón de Higgs en dos muones, gracias a su contribución mayoritaria y su papel preponderante en la reconstrucción e identificación de muones, la garantía de calidad de los datos recopilados en el Run-3 y las guías de uso para el análisis físico.
Esta contribución ha permitido explotar los datos del Run-3 (período de tres años 2022-2024) y, al combinarlos con los datos del Run-2 (período 2015-2018), ha conducido a la puesta en evidencia de esta desintegración rara.
El proceso estudiado es la desintegración del bosón de Higgs en un par de muones (H→μμ). A pesar de su rareza - ocurre solo en una desintegración de Higgs entre 5000 - este proceso ofrece la mejor oportunidad de estudiar la interacción de Higgs con los fermiones de segunda generación y arrojar luz sobre el origen de la masa a través de las diferentes generaciones.
Buscar agujas en un pajar
La identificación de esta desintegración rara es un verdadero desafío. Para H→μμ, los investigadores han buscado un pequeño exceso de eventos agrupándose cerca de una masa de pares de muones de 125 GeV (la masa del bosón de Higgs). Esta señal puede estar fácilmente oculta detrás de los miles de pares de muones producidos por otros procesos ("ruido de fondo").
Para aumentar la sensibilidad de sus búsquedas, los físicos de ATLAS han combinado los tres primeros años de datos del Run-3 (165 fb
-1, recopilados entre 2022 y 2024) con el conjunto completo de datos del Run-2 (140 fb
-1, de 2015 a 2018). También han desarrollado un método sofisticado para modelar mejor los procesos de fondo, clasificar los eventos registrados según los modos de producción de bosón de Higgs específicos y mejorar sus técnicas de selección de eventos para maximizar la probabilidad de detectar las señales auténticas.
La figura siguiente muestra la distribución de masa de los pares de muones obtenida a partir de los datos recopilados entre 2022 y 2024 y combinadas para todas las categorías.
Espectro de masa invariante de dos muones de cargas opuestas observado en los datos del Run-3, para todas las categorías de análisis combinadas. Las funciones de densidad de probabilidad (pdf) del ruido de fondo y de la señal se obtienen a partir del ajuste combinado de todas las categorías a los datos del Run-3, correspondiendo a una intensidad de señal de μ = 1,6 ±0,6. El panel inferior muestra la pdf de señal ajustada, normalizada al valor de mejor ajuste de la señal, y la diferencia entre los datos observados y el modelo de fondo. Las barras de error representan las incertidumbres estadísticas de los datos.
Imagen: ATLAS Collaboration/CERN Poner en evidencia
En la búsqueda anterior de H→μμ utilizando el conjunto completo de datos del Run-2, la colaboración ATLAS vio su primer indicio de este proceso al nivel de 2 desviaciones estándar (es decir, la hipótesis de que el resultado observado se deba solo a una fluctuación de ruido de fondo y no a la presencia de señal H→μμ es rechazada a dos desviaciones estándar, lo que corresponde a una probabilidad de aproximadamente una entre 22). El resultado comparable de CMS alcanzó una significancia observada (esperada) de 3 (2,5) desviaciones estándar.
Hoy, con los conjuntos de datos combinados Run-2 y Run-3, la colaboración ATLAS ha puesto en evidencia el proceso H→μμ con una significancia observada (esperada) respecto a la hipótesis del fondo solo de 3,4 (2,5) desviaciones estándar. ¡Esto significa que la probabilidad de que el resultado sea una fluctuación estadística es inferior a una entre 1500!
Estos resultados han sido posibles gracias al excelente y extenso conjunto de datos proporcionado por el LHC, a la eficiencia y al rendimiento excepcional del experimento ATLAS y al uso de nuevas técnicas de análisis. ¡Con más datos en el horizonte, el viaje de exploración continúa!
Fuente: CEA IRFU