Los físicos teóricos descubren que el bosón de Higgs no parece contener ningún signo de nueva física

El bosón de Higgs fue descubierto en los detectores del Gran Colisionador de Hadrones hace unos doce años. Ha demostrado ser una partícula extremadamente difícil de producir y observar y, a pesar del paso del tiempo, aún no se conocen sus propiedades con una precisión satisfactoria. Ahora sabemos más sobre su origen, gracias al logro recientemente publicado de un grupo internacional de físicos teóricos con la participación del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia.

La búsqueda es publicado en la revista Cartas de revisión de materiales.

El mundo científico coincide en que el mayor descubrimiento realizado con el Gran Colisionador de Hadrones es la famosa partícula de Higgs. Desde hace doce años, los físicos intentan identificar con la mayor precisión posible las propiedades de esta partícula elemental de suma importancia. La tarea es extremadamente difícil debido a los desafíos experimentales y numerosos obstáculos computacionales.

Afortunadamente, se han logrado avances significativos en la investigación teórica, gracias a un grupo de físicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (FIP PAN) en Cracovia, la Universidad RWTH de Aquisgrán (RWTH) en Aquisgrán y el Max Instituto Planck de Física (MPI) en Garching, cerca de Munich.

El Modelo Estándar es una estructura teórica compleja construida en la década de 1970 para describir las partículas elementales de materia actualmente conocidas (quarks, pero también electrones, muones, tau y la trinidad asociada de neutrinos), fuerzas electromagnéticas (fotones) y fuerzas nucleares ( gluones en el caso de interacciones fuertes, y los bosones W y Z en caso de interacciones débiles).

El descubrimiento del bosón de Higgs, gracias al Gran Colisionador de Hadrones, supuso la guinda al pastel en la creación del Modelo Estándar, una partícula que juega un papel clave en el mecanismo encargado de dar masa a otras partículas elementales. El descubrimiento del bosón de Higgs se anunció a mediados de 2012. Desde entonces, los científicos han intentado recopilar la mayor cantidad de información posible sobre esta partícula extremadamente importante.

“Para un físico, uno de los parámetros más importantes asociados con cualquier partícula elemental o nuclear es la sección transversal de una colisión determinada. Esto se debe a que nos da información sobre la frecuencia con la que podemos esperar que aparezca la partícula en las colisiones de una determinada colisión. «Nos centramos en la determinación teórica de la sección transversal del bosón de Higgs en las colisiones gluón-gluón, responsable de la producción de aproximadamente el 90% del bosón de Higgs, cuyos rastros se han registrado en los detectores del acelerador del LHC», explica el Dr. René Poncelet (PAN de la FIP).

«La esencia de nuestro trabajo fue el deseo de tener en cuenta, a la hora de determinar la sección energética para la producción de los bosones de Higgs, algunas correcciones que normalmente se pasan por alto debido a su contribución aparentemente pequeña», añade el profesor Michal Kakoun (de la Universidad del Rin). -Universidad de Westfalia), coautor del artículo «Porque ignorarlos simplifica enormemente los cálculos. Esta es la primera vez que logramos superar las dificultades matemáticas e identificar estas correcciones».

La importancia del papel de las correcciones de orden superior en la comprensión de las propiedades de los bosones de Higgs puede demostrarse por el hecho de que las correcciones secundarias calculadas en el artículo, que parecen pequeñas, contribuyen aproximadamente a una quinta parte de la sección transversal energética requerida. Esto se compara con correcciones de tercer orden del 3% (pero reduce la incertidumbre computacional a solo el 1%).

Una de las novedades de este trabajo fue que tuvo en cuenta el efecto de las masas de los quarks inferiores, lo que dio como resultado un cambio pequeño pero notable de alrededor del 1%. Vale la pena señalar aquí que el Gran Colisionador de Hadrones choca con protones, es decir, partículas que constan de dos quarks arriba y un quark abajo. La presencia temporal de quarks con masas mayores dentro de los protones, como el quark belleza, es el resultado de la naturaleza cuántica de las fuertes interacciones que unen los quarks en el protón.

“Los valores de la sección transversal energética para la producción del bosón de Higgs descubiertos por nuestro grupo y medidos en colisiones de haces anteriores en el LHC son prácticamente los mismos, teniendo en cuenta, por supuesto, las imprecisiones actuales de cálculo y medición. Hay signos de nueva física en los mecanismos responsables”. “Estamos investigando la formación de los bosones de Higgs, al menos por ahora”, resume el Dr. Poncelet el trabajo del equipo.

La creencia generalizada entre los científicos de que es necesaria una nueva física surge del hecho de que una serie de cuestiones de importancia fundamental no pueden responderse utilizando el modelo estándar. ¿Por qué las partículas elementales tienen esta masa? ¿Por qué formar familias? ¿De qué está compuesta la materia oscura cuyos efectos se pueden ver claramente en el universo? ¿Cuál es la razón del predominio de la materia sobre la antimateria en el universo? El modelo estándar también necesita ampliarse porque no tiene en cuenta la gravedad, que es una interacción común.

Es importante señalar que los recientes logros de los físicos teóricos del Instituto Internacional de Física de Partículas de París, la Universidad de Renania-Westfalia y el Instituto Max Planck de Física no descartan definitivamente la presencia de nueva física en los fenómenos que acompañó el nacimiento del bosón de Higgs. Quizás muchas cosas cambien cuando comencemos a analizar los datos del cuarto ciclo de investigación que ha comenzado gradualmente en el Gran Colisionador de Hadrones.

El creciente número de observaciones de nuevas colisiones de partículas puede permitir reducir la incertidumbre en las mediciones de tal manera que el rango medido de secciones transversales permitidas de producción de Higgs ya no coincida con el rango especificado por la teoría. Si esto sucede o no, los físicos lo descubrirán dentro de unos años.

En este momento, el Modelo Estándar puede parecer más seguro que nunca, y ese hecho se está convirtiendo poco a poco en el descubrimiento más sorprendente jamás realizado con el LHC.