ATLAS y CMS observan la desintegración del Higgs en un par de quarks bottom-antibottom

El pasado martes 28 de agosto se realizó en el CERN el anuncio oficial del redescubrimiento del bosón de Higgs en el canal de desintegración en una pareja quark-antiquark de tipo bottom (H → bb). Combinando datos del LHC Run 1 y LHC Run 2, CMS ha observado una señal μ = 1.04 ± 0.20 con 5.6 sigmas y ATLAS una señal μ = 1.01 ± 0.20 con 5.4 sigmas. En ambos análisis los canales WH y ZH con 0, 1 y 2 leptones cargados usando colisiones de 2017 ha sido claves para este hito.

Todos las propiedades del bosón de Higgs observadas hasta ahora coinciden con las predicciones del modelo estándar. Sin embargo, se podrían ocultar pequeñas desviaciones en las incertidumbres de las medidas que apuntaran a física más allá del modelo estándar. Como bien sabes el campo de Higgs dota de masa a los fermiones (leptones y quarks) mediante una nueva interacción, que no es de tipo gauge, por lo que está caracterizada por un acoplamiento de Yukawa diferente para cada partícula; hemos medido dichos acoplamientos para el quark top, el quark bottom y el leptón tau, mostrando buen acuerdo con las predicciones teóricas. Sin embargo, aún no hemos medido la autointeracción del campo Higgs, que requiere la producción de al menos dos Higgs en una colisión. Habrá que esperar al LHC Run 3, como pronto, para lograrlo.

Los artículos son CMS Collaboration, “Observation of Higgs boson decay to bottom quarks,” Phys. Rev. Lett. (aceptado), arXiv:1808.08242 [hep-ex], y ATLAS Collaboration, “Observation of H→bb decays and VH production with the ATLAS detector,” Phys. Lett. B (aceptado), arXiv:1808.08238 [hep-ex]. El vídeo de las charlas en el CERN con el anuncio oficial está en “Observation of the H->b bbar decay at ATLAS and CMS,” Video, 28 Aug 2018; las transparencias son Luca Perrozzi (CMS Collaboration), “Observation of Higgs boson decay to bottom quarks with CMS data,” LPCC seminar – CERN, 28 Aug 2018 [PDF slides], y Nicolas Morange (ATLAS Collaboration), “Observation of H → bb decays and of VH production with the ATLAS detector,” LPCC seminar – CERN, 28 Aug 2018 [PDF slides].

Más información divulgativa en “Long-sought decay of Higgs boson observed,” Media and Press Relations, CERN, 28 Aug 2018. En este blog también puedes leer “Se observa el bosón de Higgs en el canal H→bb en el LHC”, LCMF, 09 Jul 2018; y “El bosón de Higgs tras cinco años de su anuncio”, LCMF, 07 Jul 2017.

El canal de desintegración H→bb es el dominante (58%) para un Higgs con una masa de 125 GeV/c². A pesar de ello, el fondo de ruido asociado a chorros hadrónicos originados por la desintegración de quarks bottom en las colisiones protón contra protón en el LHC es enorme. Para observar el Higgs en este canal lo ideal es recurrir al Higgs-strahlung, el canal VH(bb), la producción asociada a un bosón vectorial, qq → VH, con H→bb, donde los dos chorros hadrónicos del Higgs vienen acompañados de dos leptones cargados (V = Z, con Z → ℓℓ, siendo ℓ = e, o μ), de un leptón cargado (V = W, con W → ℓν, siendo ν un neutrino del mismo sabor que el leptón ℓ), o de ningún leptón cargado (V = Z, con Z → νν, siendo ℓ = e, o μ); por supuesto, estos sucesos también tienen un fondo irreducible asociado a desintegraciones sin Higgs, como qq → Vg, con g→ bb, entre otras.

No sé si merece la pena entrar en los detalles de los análisis de estos canales en CMS y ATLAS. Un resumen rápido en el caso de CMS es que en el canal VH(bb) con colisiones de 2017 se alcanzan solo 3.1 sigmas y con colisiones del LHC Run 2 en 2016 y 2017 se alcanzan 4.2 sigmas; si además añadimos las colisiones del LHC Run 1 llegamos a 4.9 sigmas. Para superar las cinco sigmas hay combinar los resultados con otros canales (ggF, VBF y ttH), lo que permite alcanzar las 5.6 sigmas. En el caso de ATLAS en el canal VH(bb) con colisiones del LHC Run1 y LHC Run 2 se alcanzan 4.9 sigmas, cifra que supera las cinco sigmas cuando se combinar con otros canales, lo que permite alcanzar las 5.4 sigmas.

En resumen, combinando de forma naïve los resultados de CMS y ATLAS para el canal H → bb se alcanzan √5.6² + 5.4² ≈ 7.8 sigmas. Este número crecerá cuando se analicen las colisiones que se está recabando en 2018 (a dos de septiembre se han acumulado 44 /fb en ATLAS y 46 /fb en CMS). Hay que seguir explorando el Higgs para descubrirlo en otros canales y hay que seguir hurgando en otras desintegraciones más allá del modelo estándar, aunque al final acaben dando una respuesta negativa. El quark top y el bosón de Higgs siguen siendo nuestras mejores herramientas para explorar el modelo estándar a alta energía.

4 comentarios

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Salvador Perez Rodriguez Salvador Perez Rodriguez

Hola. Tenía entendido que los quarks no podían existir aislados
En cuanto se separaran serían creados otros quarks que formarían nuevas partículas.

O es que las pueden “ver” durante la separación y antes que formen otras partículas ?

Gracias

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Salvador, los quarks se hadronizan en un yoctosegundo formando un chorro (jet) de partículas que es lo que se observa en los detectores; cuando se “observan” quarks (salvo el top) y gluones lo que se está observando son estos chorros hadrónicos.

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