El Solenoide Compact Muon (CMS) es un detector de uso general en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Tiene un amplio programa de física que va desde el estudio del modelo estándar (incluido el bosón de Higgs) hasta la búsqueda de dimensiones y partículas adicionales que podrían formar materia oscura. El detector CMS está construido alrededor de un enorme imán de solenoide. Éste toma la forma de una bobina cilíndrica de cable superconductor que genera un campo de 4 tesla, unas 100.000 veces el campo magnético de la Tierra. El campo está confinado por un “yugo” de acero que forma la mayor parte del peso de 14.000 toneladas del detector. Crédito: CERN
El bosón de Higgs alcanzó la fama de la noche a la mañana en 2012 cuando finalmente fue descubierto en un revoltijo de otras partículas generadas en CERNGran Colisionador de Hadrones (LHC) en Ginebra, Suiza. El descubrimiento fue monumental porque el bosón de Higgs, sobre el que solo se había teorizado anteriormente, tiene la propiedad especial de dotar de masa a otras partículas elementales. También es extremadamente raro y difícil de identificar en los escombros de las partículas en colisión.
Los físicos de Caltech desempeñaron un papel importante en el descubrimiento del bosón de Higgs, un resultado que le valió al físico teórico Peter Higgs una parte del Premio Nobel de Física de 2013, y ahora continúan haciendo hallazgos importantes sobre los raros procesos del bosón de Higgs.
Este verano, por primera vez, los físicos de partículas que utilizaron datos recopilados por el experimento conocido como Solenoide de muón compacto (CMS) en el LHC, encontraron evidencia de que el bosón de Higgs se descompone en un par de partículas elementales llamadas muones. El muón es una versión más pesada del electrón, y tanto los muones como los electrones pertenecen a una clase de partículas conocidas como fermiones, como se describe en el modelo de partículas ampliamente aceptado llamado Modelo Estándar. El modelo estándar clasifica todas las partículas como fermiones o bosones. Generalmente, los fermiones son bloques de construcción de toda la materia y los bosones son los portadores de fuerza.
Un muón es también lo que se conoce como partícula de segunda generación. Las partículas de fermiones de primera generación, como los electrones, son las más ligeras; Las partículas de segunda y tercera generación pueden descomponerse para convertirse en partículas de primera generación. El nuevo hallazgo representa la primera evidencia de que el bosón de Higgs interactúa con los fermiones de segunda generación.
Además, este resultado proporciona más evidencia de que la tasa de desintegración del Higgs a pares de fermiones es proporcional al cuadrado de la masa del fermión. Esta es una predicción clave de la teoría de Higgs. Con más datos, se espera que los experimentos del LHC confirmen que de hecho el Higgs da a las partículas fundamentales su masa.
Experimento Compact Muon Solenoid en el Gran Colisionador de Hadrones. Crédito: CERN / CMS
“La importancia de esta medición es que estamos probando procesos raros que involucran al bosón de Higgs, y estamos en el régimen de investigación de la física de Higgs de precisión donde cualquier desviación de las predicciones del Modelo Estándar puede apuntarnos a una nueva física”, dice Maria Spiropulu, el Shang -Profesor de Física Yi Ch’en en Caltech.
Los científicos que analizaron datos de otro instrumento en el LHC, conocido como ATLAS (Aparato toroidal del LHC), también encontraron evidencia que corrobora la descomposición del bosón de Higgs en muones. Los resultados de ambos experimentos se presentaron en la 40a Conferencia Internacional sobre Física de Altas Energías en agosto de 2020.
“Necesitamos más datos y métodos de análisis inteligentes para confirmar nuestros resultados, pero esta es la primera vez que vemos evidencia de que el bosón de Higgs se descompone en dos muones”, dice Irene Dutta (MS ’20), miembro del equipo de Caltech CMS y graduada estudiante en el laboratorio de Spiropulu. “Este resultado valida experimentalmente que las predicciones del Modelo Estándar de física de partículas son acertadas. Incluso una pequeña desviación de nuestro modelo nos diría que algo más está sucediendo, pero hasta ahora el Modelo Estándar se mantiene firme ”, dice Dutta.
En última instancia, el hallazgo ayudará a los científicos a comprender mejor cómo el bosón de Higgs otorga masa a los fermiones. El bosón de Higgs se puede considerar como el movimiento o la excitación del campo de Higgs. El campo de Higgs actúa como un jarabe espeso y, a medida que las partículas se mueven a través de él, adquieren masa; cuanto más lentas se mueven las partículas a través del campo, más pesadas son (vea el video a continuación para una ilustración metafórica del concepto).
“Queremos comprender el origen de la masa en nuestro universo”, dice el miembro del equipo de Caltech CMS Nan Lu, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Spiropulu. “El bosón de Higgs es una herramienta experimental para comprender este mecanismo y podría ser una herramienta para descubrir nueva física. No podemos observar sistemáticamente el bosón de Higgs u otras partículas elementales, excepto en su manifestación en colisiones de partículas de alta energía, pero son los componentes básicos de nuestro universo ”, dice Lu.
El equipo de Caltech contribuyó al nuevo hallazgo mediante la búsqueda de bosones de Higgs producidos por un mecanismo particular en el que dos partículas llamadas quarks también se generan al mismo tiempo (los quarks son otro tipo de fermión). Este proceso es de especial interés porque los dos quarks ofrecen firmas distintas para ayudar a identificar los bosones de Higgs. Lu desarrolló el método para probar la sensibilidad de la búsqueda de CMS para diferentes masas del bosón de Higgs, mejorando así la confianza de los hallazgos. Dutta trabajó en demostrar el poder de una herramienta de metodología avanzada de inteligencia artificial (IA), conocida como red neuronal profunda, para analizar los datos del LHC.
Tanto Dutta como Lu ayudaron a derivar los resultados finales de sensibilidad. El ex becario postdoctoral de Caltech Joosep Pata, que ahora forma parte de la facultad del Instituto Nacional de Física Química y Biofísica de Estonia, desarrolló métodos novedosos para acelerar el complejo análisis computacional utilizado en el proyecto.
“Probar las propiedades del bosón de Higgs equivale a buscar nueva física que sabemos que tiene que estar ahí”, dijo Spiropulu. “Estoy especialmente orgulloso del trabajo de Nan, Irene, Joosep y todo el grupo de CMS de Caltech, cuyo talento, diversidad y resultados brillan en el panorama de una gran colaboración internacional”.
El equipo de Caltech CMS también incluye a Harvey Newman, profesor de física Marvin L. Goldberger; Si Xie, profesor asistente de investigación de física; los científicos investigadores Adi Bornheim y Cristián Peña (MS ’15, PhD ’17); y Ren-Yuan Zhu, gerente del equipo de calorímetro electromagnético de Caltech CMS.
