Symmetry Magazine
Los físicos ven los quarks superiores y los bosones de Higgs que emanan de las mismas colisiones en los nuevos resultados del Gran Colisionador de Hadrones.
Courtesy of CERN
Por Sarah Charley, para Symmetry Magazine Junio 4 de 2018
Hoy, dos experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN anunciaron un descubrimiento que finalmente vincula las dos partículas más pesadas conocidas: el quark top y el bosón de Higgs. Los experimentos CMS y ATLAS han visto la producción simultánea de ambas partículas durante un raro proceso subatómico. Esta es la primera vez que los científicos han medido la interacción directa del bosón de Higgs con los quarks superiores.
"Esta observación conecta por primera vez directamente las dos partículas elementales más pesadas del Modelo Estándar: el quark top, que fue descubierto en 1995 en Tevatron por los experimentos CDF y DZero, y el bosón de Higgs", dice Boaz Klima, un científico. en el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU. y el presidente de la junta de publicación de CMS.
El bosón de Higgs fue pronosticado en la década de 1960 y descubierto por los experimentos de CMS y ATLAS en 2012 utilizando colisiones de partículas generadas por el LHC.
Las partículas fundamentales ganan masa a través de su interacción con el campo de Higgs, por lo que tendría sentido que el quark top -—la partícula más masiva jamás descubierta-— tuviera un fuerte acoplamiento con el bosón de Higgs. Pero los científicos dicen que necesitan probar cada aspecto de la teoría para verificarla completamente.
Antes de su descubrimiento, los teóricos tenían una buena idea de cómo se suponía que debía comportarse el bosón de Higgs, de acuerdo con el Modelo Estándar de Física de Partículas. Ahora que los físicos del LHC pueden producir y estudiar ágilmente los bosones de Higgs, el siguiente paso es analizar estas predicciones y ver si contienen agua. Una gran pregunta ha sido si el bosón de Higgs puede interactuar con los quarks y, de ser así, cómo se vería esta relación.
"El bosón de Higgs fue originalmente predicho porque ayudó a explicar por qué algunos bosones que transportaban la fuerza tenían masa mientras que otros permanecían sin masa", dice Anadi Canepa, el nuevo jefe del Departamento de CMS en Fermilab. "Sin embargo, el Higgs también dota a los quarks de masa. "
Aunque los científicos sospecharon que el bosón de Higgs interactúa más fuertemente con el quark top masivo que cualquier otro, todas las pruebas hasta hace poco han estado por debajo del umbral requerido para reclamar un descubrimiento. Estos nuevos resultados -un artículo publicado hoy en Physical Review Letters de la colaboración de CMS y otro documento presentado por la colaboración de ATLAS-—muestran definitivamente que el bosón de Higgs se comunica con el quark top como se predijo y abre una nueva puerta para explorar más estas interacciones.
El quark top jugó un papel clave en la investigación de Higgs incluso antes de que los científicos encontraran el Higgs. Los teóricos usaron medidas del quark top para ayudarlos a estrechar la masa del bosón de Higgs antes de su descubrimiento, y el quark top está ayudando a los físicos a comprender la fuerza del campo de Higgs a diferentes energías. El quark top también juega un papel importante en la producción del bosón de Higgs.
"Gran parte de lo que creemos que sabemos sobre el bosón de Higgs depende de su relación con el quark top", dice Rachel Hyneman, una estudiante graduada de la Universidad de Michigan que trabajó en el análisis ATLAS. "Creemos que aproximadamente el 90 por ciento de los bosones de Higgs se producen a través de quarks top virtuales".
Las colisiones protón-protón dentro del LHC producen reacciones de cadena larga que a menudo implican múltiples pasos y jugadores. Estos nuevos estudios se centraron en el raro proceso en el que dos gluones dentro de los protones en colisión fusionan y producen dos quarks top virtuales, que son fluctuaciones mecánicas cuánticas y partículas discretas no completamente formadas.
"Cuando estos quarks top nacientes se recombinan, normalmente sacan un solo bosón de Higgs", dice Hyneman. "Pero el 1 por ciento de las veces, este solitario Higgs está acompañado por dos quarks top reales. Esto es lo que nos propusimos encontrar ".
Debido a que los bosones de Higgs y los quarks top son partículas de vida corta, casi de inmediato se transforman en partículas hijas más estables, muchas de las cuales también se descomponen. Esta transición rápida de una generación a la siguiente hace que sea desafiante — aunque no imposible — volver a trazar el linaje de las partículas hija detectadas a su ancestro común.
"Observamos muchos modos diferentes de decaimiento de los bosones de Higgs", dice Chris Neu, un físico de la Universidad de Virginia que trabajó en el análisis CMS. "Este proceso es tan raro que necesitábamos combinar resultados de diferentes firmas de Higgs para maximizar nuestra sensibilidad y establecer la señal superior de Higgs".
El siguiente paso es medir con precisión esta fuerza de acoplamiento y determinar si coincide con las predicciones.
"Medir directamente el acoplamiento del quark top con el bosón de Higgs es una prueba fundamental del Modelo Estándar", dice Sally Dawson, física y teórica del Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE. "Esta medición limita las posibilidades de nuevas partículas pesadas que pueden interactuar con el quark top ".
Otros estudios continuarán explorando el comportamiento del bosón de Higgs y cómo encaja en el mosaico universal de la materia.
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Los físicos ven los quarks superiores y los bosones de Higgs que emanan de las mismas colisiones en los nuevos resultados del Gran Colisionador de Hadrones.
Courtesy of CERN
Por Sarah Charley, para Symmetry Magazine Junio 4 de 2018
Hoy, dos experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN anunciaron un descubrimiento que finalmente vincula las dos partículas más pesadas conocidas: el quark top y el bosón de Higgs. Los experimentos CMS y ATLAS han visto la producción simultánea de ambas partículas durante un raro proceso subatómico. Esta es la primera vez que los científicos han medido la interacción directa del bosón de Higgs con los quarks superiores.
"Esta observación conecta por primera vez directamente las dos partículas elementales más pesadas del Modelo Estándar: el quark top, que fue descubierto en 1995 en Tevatron por los experimentos CDF y DZero, y el bosón de Higgs", dice Boaz Klima, un científico. en el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU. y el presidente de la junta de publicación de CMS.
El bosón de Higgs fue pronosticado en la década de 1960 y descubierto por los experimentos de CMS y ATLAS en 2012 utilizando colisiones de partículas generadas por el LHC.
Las partículas fundamentales ganan masa a través de su interacción con el campo de Higgs, por lo que tendría sentido que el quark top -—la partícula más masiva jamás descubierta-— tuviera un fuerte acoplamiento con el bosón de Higgs. Pero los científicos dicen que necesitan probar cada aspecto de la teoría para verificarla completamente.
Antes de su descubrimiento, los teóricos tenían una buena idea de cómo se suponía que debía comportarse el bosón de Higgs, de acuerdo con el Modelo Estándar de Física de Partículas. Ahora que los físicos del LHC pueden producir y estudiar ágilmente los bosones de Higgs, el siguiente paso es analizar estas predicciones y ver si contienen agua. Una gran pregunta ha sido si el bosón de Higgs puede interactuar con los quarks y, de ser así, cómo se vería esta relación.
"El bosón de Higgs fue originalmente predicho porque ayudó a explicar por qué algunos bosones que transportaban la fuerza tenían masa mientras que otros permanecían sin masa", dice Anadi Canepa, el nuevo jefe del Departamento de CMS en Fermilab. "Sin embargo, el Higgs también dota a los quarks de masa. "
Aunque los científicos sospecharon que el bosón de Higgs interactúa más fuertemente con el quark top masivo que cualquier otro, todas las pruebas hasta hace poco han estado por debajo del umbral requerido para reclamar un descubrimiento. Estos nuevos resultados -un artículo publicado hoy en Physical Review Letters de la colaboración de CMS y otro documento presentado por la colaboración de ATLAS-—muestran definitivamente que el bosón de Higgs se comunica con el quark top como se predijo y abre una nueva puerta para explorar más estas interacciones.
El quark top jugó un papel clave en la investigación de Higgs incluso antes de que los científicos encontraran el Higgs. Los teóricos usaron medidas del quark top para ayudarlos a estrechar la masa del bosón de Higgs antes de su descubrimiento, y el quark top está ayudando a los físicos a comprender la fuerza del campo de Higgs a diferentes energías. El quark top también juega un papel importante en la producción del bosón de Higgs.
"Gran parte de lo que creemos que sabemos sobre el bosón de Higgs depende de su relación con el quark top", dice Rachel Hyneman, una estudiante graduada de la Universidad de Michigan que trabajó en el análisis ATLAS. "Creemos que aproximadamente el 90 por ciento de los bosones de Higgs se producen a través de quarks top virtuales".
Las colisiones protón-protón dentro del LHC producen reacciones de cadena larga que a menudo implican múltiples pasos y jugadores. Estos nuevos estudios se centraron en el raro proceso en el que dos gluones dentro de los protones en colisión fusionan y producen dos quarks top virtuales, que son fluctuaciones mecánicas cuánticas y partículas discretas no completamente formadas.
"Cuando estos quarks top nacientes se recombinan, normalmente sacan un solo bosón de Higgs", dice Hyneman. "Pero el 1 por ciento de las veces, este solitario Higgs está acompañado por dos quarks top reales. Esto es lo que nos propusimos encontrar ".
Debido a que los bosones de Higgs y los quarks top son partículas de vida corta, casi de inmediato se transforman en partículas hijas más estables, muchas de las cuales también se descomponen. Esta transición rápida de una generación a la siguiente hace que sea desafiante — aunque no imposible — volver a trazar el linaje de las partículas hija detectadas a su ancestro común.
"Observamos muchos modos diferentes de decaimiento de los bosones de Higgs", dice Chris Neu, un físico de la Universidad de Virginia que trabajó en el análisis CMS. "Este proceso es tan raro que necesitábamos combinar resultados de diferentes firmas de Higgs para maximizar nuestra sensibilidad y establecer la señal superior de Higgs".
El siguiente paso es medir con precisión esta fuerza de acoplamiento y determinar si coincide con las predicciones.
"Medir directamente el acoplamiento del quark top con el bosón de Higgs es una prueba fundamental del Modelo Estándar", dice Sally Dawson, física y teórica del Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE. "Esta medición limita las posibilidades de nuevas partículas pesadas que pueden interactuar con el quark top ".
Otros estudios continuarán explorando el comportamiento del bosón de Higgs y cómo encaja en el mosaico universal de la materia.
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