El Higgs no revela secretos de nueva física

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

El mundo científico está unánime en su opinión de que el mayor descubrimiento realizado con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es el famoso bosón de Higgs. Durante doce años, los físicos han estado tratando de aprender con la mayor precisión posible sobre las propiedades de esta partícula elemental tan importante. 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 (IFJ PAN) en Cracovia, la Universidad RWTH Aachen (RWTH) en Aquisgrán y el Instituto Max Planck de Física (MPI) en Garching cerca de Múnich.

El Modelo Estándar es una estructura teórica compleja construida en la década de 1970 para describir de manera coherente las partículas elementales de materia actualmente conocidas (quarks, así como electrones, muones, tau y la trinidad asociada de neutrinos) y las fuerzas electromagnéticas (fotones) y nucleares (gluones en el caso de interacciones fuertes, W y bosones Z en el caso de interacciones débiles). La guinda del pastel en la creación del Modelo Estándar fue el descubrimiento, gracias al LHC, del bosón de Higgs, una partícula que juega un papel clave en el mecanismo responsable de dar masa a las demás partículas elementales. El hallazgo del Higgs se anunció a mediados de 2012. Desde entonces, los científicos han estado tratando de obtener la mayor cantidad de información posible sobre esta partícula fundamentalmente importante.

“Para un físico, uno de los parámetros más importantes asociados con cualquier partícula elemental o nuclear es la sección transversal para una colisión específica. Esto se debe a que nos brinda información sobre la frecuencia con la que podemos esperar que la partícula aparezca en colisiones de un cierto tipo. Nos hemos centrado en la determinación teórica de la sección transversal del bosón de Higgs en colisiones gluón-gluón. Son responsables de la producción de alrededor del 90% del Higgs, rastros de cuya presencia se han registrado en los detectores del acelerador LHC”, explica el Dr. Rene Poncelet (IFJ PAN).

El profesor Michal Czakon (RWTH), coautor del artículo en la prestigiosa revista de física Physical Review Letters, donde los científicos presentaron sus cálculos, agrega: “La esencia de nuestro trabajo fue el deseo de tener en cuenta, al determinar la sección transversal activa para la producción de bosones de Higgs, ciertas correcciones que, debido a su aparente pequeña contribución, generalmente se descuidan, porque ignorarlas simplifica significativamente los cálculos. Es la primera vez que logramos superar las dificultades matemáticas y determinar estas correcciones”.

La importancia del papel de las correcciones de orden superior para comprender las propiedades de los bosones de Higgs se puede ver en el hecho de que las correcciones secundarias calculadas en el artículo, aparentemente pequeñas, contribuyen casi una quinta parte al valor de la sección transversal activa buscada. Esto se compara con las correcciones de tercer orden del tres por ciento (pero que reducen las incertidumbres computacionales a solo un uno por ciento). Una novedad del trabajo fue tener en cuenta el efecto de las masas de los quarks inferiores, lo que lleva a un pequeño pero notable desplazamiento de alrededor del uno por ciento. Cabe recordar aquí que el LHC hace colisionar 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 de belleza, es consecuencia de la naturaleza cuántica de las interacciones fuertes que unen los quarks en el protón.

“Los valores de la sección transversal activa para la producción de bosones de Higgs encontrados por nuestro grupo y medidos en colisiones de haz anteriores en el LHC son prácticamente los mismos, teniendo en cuenta, naturalmente, las incertidumbres computacionales y de medición actuales. Por lo tanto, parece que no hay presagios de nueva física visibles dentro de los mecanismos responsables de la formación de bosones de Higgs que estamos investigando, al menos por ahora”, resume el Dr. Poncelet el trabajo del equipo.

La creencia generalizada entre los científicos en la necesidad de la existencia de nueva física proviene del hecho de que el Modelo Estándar no puede responder varias preguntas fundamentalmente importantes. ¿Por qué las partículas elementales tienen las masas que tienen? ¿Por qué forman familias? ¿De qué está hecha la materia oscura, cuyos rastros son tan claramente visibles en el cosmos? ¿Cuál es la razón de la predominancia de la materia sobre la antimateria en el Universo? El Modelo Estándar también necesita ser ampliado porque no tiene en cuenta la gravedad, que es una interacción tan común.

Es importante destacar que el último logro de los físicos teóricos de IFJ PAN, RWTH y MPI no descarta definitivamente la presencia de nueva física en los fenómenos que acompañan al nacimiento del bosón de Higgs. Mucho puede cambiar cuando se empiecen a analizar los datos del cuarto ciclo de investigación en marcha del Gran Colisionador de Hadrones. El creciente número de observaciones de nuevas colisiones de partículas podría permitir restringir las incertidumbres de medición de tal manera que el rango de secciones transversales permisibles medidas para la producción de Higgs ya no coincida con el definido por la teoría. Si esto sucederá o no, los físicos lo descubrirán en unos años. Por ahora, el Modelo Estándar puede sentirse más seguro que nunca, y este hecho está empezando lentamente a convertirse en el descubrimiento más sorprendente realizado con el LHC.

El Instituto de Física Nuclear Henryk Niewodniczański (IFJ PAN) es actualmente uno de los mayores institutos de investigación de la Academia Polaca de Ciencias. Una amplia gama de investigaciones realizadas en IFJ PAN abarca estudios básicos y aplicados, desde física de partículas y astrofísica, hasta física de hadrones, física nuclear de alta, media y baja energía, física de la materia condensada (incluida la ingeniería de materiales), hasta diversas aplicaciones de la física nuclear en la investigación interdisciplinaria, que abarca física médica, dosimetría, biología de la radiación y el medio ambiente, protección ambiental y otras disciplinas relacionadas. La producción anual promedio de publicaciones de IFJ PAN incluye más de 600 artículos científicos en revistas internacionales de alto impacto. Cada año, el Instituto alberga alrededor de 20 congresos científicos internacionales y nacionales. Una de las instalaciones más importantes del Instituto es el Centro de Ciclotrones Bronowice (CCB), que es una infraestructura única en Europa Central, que sirve como centro clínico y de investigación en el campo de la física médica y nuclear. Además, IFJ PAN gestiona cuatro laboratorios de investigación y medición acreditados. IFJ PAN es miembro del Consorcio de Investigación de Cracovia Marian Smoluchowski: “Materia-Energía-Futuro”, que en los años 2012-2017 disfrutó del estatus de Centro Nacional de Investigación Líder (KNOW) en física. En 2017, la Comisión Europea otorgó al Instituto el premio HR Excellence in Research. Como resultado de la categorización del Ministerio de Educación y Ciencia, el Instituto ha sido clasificado en la categoría A+ (la categoría científica más alta de Polonia) en el campo de las ciencias físicas.

CONTACTOS:

Dr. Rene Poncelet

Instituto de Física Nuclear, Academia Polaca de Ciencias

correo electrónico: rene.poncelet@ifj.edu.pl

PUBLICACIONES CIENTÍFICAS:

“Contribución de la interferencia superior-inferior a la producción de Higgs totalmente inclusiva”

M. Czakon, F. Eschment, M. Niggetiedt, R. Poncelet, T. Schellenberger

Physical Review Letters 2024, 132, 211902

DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.211902

ENLACES:

El sitio web del Instituto de Física Nuclear, Academia Polaca de Ciencias.

Comunicados de prensa del Instituto de Física Nuclear, Academia Polaca de Ciencias.

IMÁGENES:

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El bosón de Higgs (azul) puede ser creado por la interacción de gluones (amarillo) durante las colisiones de protones. Los protones constan de dos quarks arriba (rojo) y un quark abajo (morado), unidos por gluones tan fuertemente que en el mar de partículas virtuales (gris) pueden aparecer quarks y antiquarks más masivos, por ejemplo quarks de belleza, cuya presencia también afecta en el proceso de nacimiento de los bosones de Higgs. (Fuente: IFJ PAN)