⚛️ La pinza se estrecha sobre el valor del autoacoplamiento del bosón de Higgs

El autoacoplamiento del bosón de Higgs es un fenómeno por el cual el Higgs interactúa consigo mismo y que puede manifestarse en las colisiones de partículas del LHC en el CERN, mediante la producción de pares de bosones de Higgs. Este autoacoplamiento interesa enormemente a los físicos y las físicas porque podría proporcionar una sonda de una sensibilidad sin precedentes para buscar la influencia de partículas aún desconocidas.

Gracias al desarrollo de técnicas de aprendizaje automático y a la acumulación cada vez más eficiente de datos de colisiones por los detectores de partículas ATLAS y CMS, su medición, considerada imposible hace apenas unos años, parece hoy perfilarse. Explicaciones.



La investigación en el LHC tiene un futuro prometedor: 16 años después del inicio del mayor colisionador del mundo en el CERN, las colisiones de partículas en el corazón de los grandes detectores ATLAS y CMS continúan revelando sus secretos, gota a gota, sobre esa misteriosa partícula que es el bosón de Higgs.

Este bosón, descubierto en 2012 por las dos grandes colaboraciones internacionales de físicos y físicas, es ante todo la manifestación corpuscular del campo de Higgs, cuya interacción con las otras partículas elementales les confiere su masa. Trece años después de su descubrimiento, sigue envuelto en numerosos misterios, y es sobre uno de los más persistentes de ellos donde el velo comienza a levantarse: el del autoacoplamiento del bosón de Higgs, fenómeno por el cual la partícula interactuaría consigo misma para generar un par de bosones de Higgs.

Esta interacción, prevista por el Modelo Estándar¹, es de una rareza tal y tan complicada de discernir de los demás eventos generados en el LHC, que no tenía ninguna posibilidad de ser medida con suficiente precisión por los experimentos ATLAS y CMS. Al menos, eso es lo que la comunidad de físicos y físicas de partículas pensaba no hace mucho tiempo.

Al optimizar en todos los niveles la caza de pares de bosones de Higgs, los científicos están cambiando las reglas del juego. Lenta pero seguramente, como muestran los resultados recientemente obtenidos por la colaboración ATLAS, la medición del autoacoplamiento se precisa.

Para entender bien de qué se trata, hay que saber que cada colisión de protones en el corazón del LHC genera una miríada de partículas secundarias, que interactúan entre sí, se desintegran y crean nuevas partículas. En este caos, los físicos estudian lo que llaman el "acoplamiento" de las partículas. Miden en qué medida cada una de ellas interactúa con las demás. Y entre los múltiples acoplamientos posibles, se interesan especialmente por los que implican al bosón de Higgs.


La teoría predice, en efecto, que existe una correlación entre la intensidad del acoplamiento con el Higgs y la masa de las partículas. Una predicción que efectivamente se ha confirmado en el LHC con algunas de las partículas más masivas del Modelo Estándar, como el quark top, que interactúa muy fuertemente con el bosón de Higgs. Pero, ¿qué pasa con el bosón de Higgs mismo?

Si tiene una masa, es porque teóricamente debe interactuar consigo mismo y a los físicos les gustaría estar seguros de ello. Sería para ellos una buena manera de verificar si las predicciones del Modelo Estándar de la física de partículas siguen siendo tan implacablemente exactas.

Por otra parte, si surgieran desviaciones en el nivel de esta interacción tan particular, traicionarían de hecho la existencia de nuevos fenómenos físicos pasados hasta ahora desapercibidos. Fenómenos que podrían señalar la existencia de partículas aún desconocidas o incluso contribuir a explicar la asimetría entre la cantidad de materia y antimateria observada en el Universo. Como la masa del bosón de Higgs se conoce con precisión, la de su autoacoplamiento es fácil de deducir y bastaría, en teoría, con examinar los datos del LHC para verificarla. Pero es aquí donde las cosas se complican.


Los físicos deben detectar, entre el intenso ruido de fondo producido en las colisiones del LHC, pares de bosones de Higgs, una de las manifestaciones esperadas del autoacoplamiento. Pero este proceso es muy raro y para complicar las cosas, es imposible detectarlo directamente, porque los Higgs se desintegran demasiado rápido para ser detectados por los detectores de partículas.


Los científicos, por tanto, deben proceder de manera indirecta buscando los productos de su desintegración. Para ello estudian tres "canales" de desintegración: el canal "bbbb" donde se generan 4 quarks b al mismo tiempo, con mucho el más común pero también el más difícil de discernir, el canal "bb TT" donde surgen dos quarks b con dos leptones tau, más raro pero más fácil de discernir, y finalmente el canal "bbγγ", con mucho el más raro de los tres, pero el más fácil de distinguir, donde la desintegración de los dos Higgs produce 2 quarks b y 2 fotones gamma.

"Lo que hace nuestra tarea tan ardua es la extrema rareza de los eventos que buscamos observar, comenta Nicolas Berger, investigador del LAPP (CNRS/USMB) y miembro de la colaboración ATLAS. De los miles de millones de colisiones registradas en el segundo periodo de explotación (Run 2) del LHC entre 2015 y 2018, estimamos que solo un puñado serán el origen de un par de Higgs que se desintegren en el canal que privilegiamos, el canal 'bbγγ'. Nuestra primera prioridad en esta búsqueda del autoacoplamiento es, por tanto, aumentar significativamente la cantidad de datos disponibles".



Y para lograrlo, todos los medios son válidos. Así, en su última publicación, los miembros del experimento ATLAS no se limitaron a analizar los 168 fb^{−1 2} de datos procedentes del run 3 del LHC, en curso desde 2022, sino que también reanalizaron los datos del Run 2 utilizando nuevas técnicas de aprendizaje automático para desenterrar eventos de autoacoplamiento pasados desapercibidos. Se trata de técnicas de etiquetado de partículas y categorización de eventos, basadas en redes neuronales de grafos y transformers.

Técnicas cada vez más utilizadas en física de partículas, como lo demuestra el otro resultado reciente de la búsqueda de la desintegración del bosón de Higgs en par de quarks charm por CMS. Como resultado, la publicación de ATLAS sobre el estudio del autoacoplamiento en el canal "bbγγ" se basa en un total de 308 fb⁻¹. Un primer paso que marca la pauta, pero que deja a los científicos aún lejos de la meta.

"Si queremos lograr imponer restricciones estrictas sobre el autoacoplamiento del Higgs, necesitamos mejorar otros aspectos, como nuestra capacidad para recoger los datos, nuestros métodos de selección, de análisis o incluso de almacenamiento preciso", afirma Olivier Davignon, investigador del LLR (CNRS/Ecole Polytechnique) y miembro de la colaboración CMS. "Hemos desarrollado, por ejemplo, algoritmos de disparo más eficientes en los últimos años. Nos permiten seleccionar mejor los eventos prometedores para analizarlos después.

Así, desde la toma de datos del año 2023, algoritmos que apuntan explícitamente a la producción de pares de bosones de Higgs o a un modo de producción particular de bosones de Higgs nos permiten aumentar sensiblemente la cantidad de datos disponible a largo plazo para nuestros análisis." Estos datos adicionales se apartan temporalmente para ser puestos en forma ("reconstruidos") para los análisis, unos meses después de los recogidos con los algoritmos clásicos.


Unidas, estas astucias comienzan a dar sus frutos y los resultados de la publicación de ATLAS se resienten de ello. Los límites colocados hoy sobre el valor del autoacoplamiento del Higgs basándose únicamente en el canal "bbγγ" son del mismo orden que los colocados varios años antes apoyándose en el conjunto de los tres canales disponibles en el conjunto de datos del Run 2. La próxima consideración de canales adicionales por los experimentos ATLAS y CMS no dejará de estrechar aún más estos límites. ¿Y en cuanto a la obtención de un valor preciso?

"Teniendo en cuenta la extrema dificultad para distinguir la señal del autoacoplamiento del bosón de Higgs, solo podemos esperar continuar estrechando los límites de este valor en los próximos años, hacia el final del Run 3 y con el HL-LHC," responde Nicolas Berger. "Pero seguimos siendo optimistas! Nuevas estimaciones nos indican que la sensibilidad alcanzada por nuestros experimentos durante la explotación del HL-LHC podría ser el doble de lo que preveíamos hace solo cinco años, para la misma cantidad de datos, y eso únicamente gracias a los progresos registrados en el análisis de los datos. ¿Quién sabe lo que podremos alcanzar si nuestras técnicas de análisis continúan mejorando al mismo ritmo? Sin embargo, es muy posible que solo un nuevo acelerador del tipo FCC-hh nos permita medir con precisión el autoacoplamiento del bosón de Higgs".

Notas:

¹ Modelo estándar de la física de partículas, conjunto de ecuaciones que describen las partículas elementales y sus interacciones con una precisión hasta ahora nunca desmentida.

² El femtobarn es una unidad que representa la cantidad de colisiones protón/protón tomadas en cuenta.

Fuente: CNRS IN2P3