Bosón de Higgs: Nuestro Pasaporte al Valle Escondido de la Nueva Física en Siguiente

Por Instituto de Física Nuclear PANMay 23, 2023

Los científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia proponen que el bosón de Higgs puede interactuar con la 'nueva física' a través de la descomposición en partículas exóticas, según los modelos de 'Hidden Valley'. Estos modelos sugieren que los futuros aceleradores de partículas podrían observar esta descomposición exótica, lo que podría allanar el camino para comprender la nueva física más allá de nuestro modelo estándar actual.

Puede ser que el famoso bosón de Higgs, corresponsable de la existencia de masas de partículas elementales, también interactúe con el mundo de la nueva física que se busca desde hace décadas. Si este fuera el caso, el Higgs debería decaer de una manera característica, involucrando partículas exóticas. En el Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia en Cracovia, se ha demostrado que si tales desintegraciones ocurren, serán observables en los sucesores del LHC que se está diseñando actualmente.

Cuando hablamos del 'valle escondido', nuestros primeros pensamientos son dragones en lugar de ciencia sólida. Sin embargo, en física de altas energías, se le da este pintoresco nombre a ciertos modelos que amplían el conjunto de partículas elementales actualmente conocidas. En estos llamados modelos de Hidden Valley, las partículas de nuestro mundo, tal como las describe el Modelo Estándar, pertenecen al grupo de baja energía, mientras que las partículas exóticas están ocultas en la región de alta energía. Las consideraciones teóricas sugieren entonces el exótico decaimiento del famoso bosón de Higgs, algo que no se ha observado en el acelerador LHC a pesar de muchos años de búsqueda. Sin embargo, los científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (IFJ PAN) en Cracovia argumentan que las desintegraciones de Higgs en partículas exóticas ya deberían ser perfectamente observables en los aceleradores que son sucesores del Gran Colisionador de Hadrones, si los modelos de Hidden Valley se vuelven pretende ser coherente con la realidad.

"En los modelos de Hidden Valley tenemos dos grupos de partículas separadas por una barrera de energía. La teoría es que podría haber partículas masivas exóticas que podrían cruzar esta barrera en circunstancias específicas. Las partículas como el bosón de Higgs o el bosón Z hipotético actuarían como comunicadores entre las partículas de ambos mundos. El bosón de Higgs, una de las partículas más masivas del modelo estándar, es un muy buen candidato para dicho comunicador", explica el Prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN), autor principal de un artículo en el Journal of High Energy Physics, que presenta los últimos análisis y simulaciones sobre la posibilidad de detectar desintegraciones del bosón de Higgs en los futuros aceleradores de leptones.

El comunicador, después de pasar a la región de baja energía, se desintegraría en dos partículas exóticas bastante masivas. Cada uno de estos, en picosegundos, es decir, billonésimas de segundo, se desintegraría en otras dos partículas, con masas aún más pequeñas, que estarían entonces dentro del Modelo Estándar. Entonces, ¿qué señales cabría esperar en los detectores de futuros aceleradores? El propio Higgs pasaría desapercibido, al igual que las dos partículas de Hidden Valley. Sin embargo, las partículas exóticas divergirían gradualmente y finalmente se descompondrían, generalmente en pares de belleza quark-antiquark visibles en los detectores modernos como chorros de partículas que se desplazaban desde el eje del haz de leptones.

La búsqueda del exótico bosón de Higgs decae en futuros colisionadores de leptones: 1) un electrón y un positrón de haces opuestos chocan; 2) la colisión produce un bosón de Higgs de alta energía; 3) el bosón se desintegra en dos partículas exóticas alejándose del eje de los haces; 4) las partículas exóticas se descomponen en pares de quark-antiquark, visibles para los detectores. Crédito: FIP PAN

"Las observaciones de las desintegraciones del bosón de Higgs consistirían, por lo tanto, en buscar los chorros de partículas producidos por los pares quark-antiquark. Sus huellas tendrían que reconstruirse retrospectivamente para encontrar los lugares donde es probable que se hayan desintegrado las partículas exóticas. Estos lugares, llamados profesionalmente vértices de decaimiento, deben aparecer en pares y estar característicamente desplazados con respecto al eje de los haces que chocan en el acelerador. El tamaño de estos cambios depende, entre otras cosas, de las masas y la vida media de las partículas exóticas que aparecen durante el decaimiento de Higgs". dice Mateusz Goncerz, M.Sc. (IFJ PAN), coautor del artículo en cuestión.

La energía de colisión de los protones en el LHC, actualmente el acelerador de partículas más grande del mundo, es de varios teraelectronvoltios y teóricamente es suficiente para producir Higgs capaz de cruzar la barrera de energía que separa nuestro mundo del Hidden Valley. Desafortunadamente, los protones no son partículas elementales: están compuestos por tres quarks de valencia unidos por fuertes interacciones, capaces de generar un gran número de partículas virtuales que aparecen y desaparecen constantemente, incluidos los pares de quarks y antiquarks. Una estructura interna tan dinámica y compleja produce un gran número de partículas secundarias en las colisiones de protones, incluidos muchos quarks y antiquarks con grandes masas. Forman un fondo en el que se hace prácticamente imposible encontrar las partículas de las exóticas desintegraciones del bosón de Higgs que se buscan.

La detección de posibles desintegraciones del Higgs a estos estados debería mejorarse radicalmente mediante el diseño de aceleradores como sucesores del LHC: el CLIC (Compact Linear Collider) y el FCC (Future Circular Collider). En ambos dispositivos, será posible colisionar electrones con sus compañeros antimateriales, los positrones (con CLIC dedicado a este tipo de colisión, mientras que FCC también permitirá colisiones de protones e iones pesados). Los electrones y los positrones carecen de estructura interna, por lo que el fondo para las desintegraciones exóticas del bosón de Higgs debería ser más débil que en el LHC. ¿Solo será suficiente para discernir la señal valiosa?

En su investigación, los físicos de IFJ PAN tomaron en cuenta los parámetros más importantes de los aceleradores CLIC y FCC y determinaron la probabilidad de desintegraciones exóticas de Higgs con estados finales en forma de cuatro quarks de belleza y antiquarks. Para garantizar que las predicciones cubran un grupo más amplio de modelos, las masas y la vida media de las partículas exóticas se consideraron en rangos de valores adecuadamente amplios. Las conclusiones son sorprendentemente positivas: todo indica que, en los futuros colisionadores de electrones y positrones, el fondo de las exóticas desintegraciones de Higgs podría reducirse incluso radicalmente, en varios órdenes de magnitud, y en algunos casos incluso podría considerarse insignificante.

La existencia de comunicadores de partículas no solo es posible en los modelos de Hidden Valley, sino también en otras extensiones del Modelo Estándar. Entonces, si los detectores de los futuros aceleradores registran una firma correspondiente a las desintegraciones de Higgs analizadas por los investigadores de Cracovia, este será solo el primer paso en el camino hacia la comprensión de la nueva física. El siguiente será recopilar un número suficientemente grande de eventos y determinar los principales parámetros de decaimiento que se pueden comparar con las predicciones de los modelos teóricos de la nueva física.

"La conclusión principal de nuestro trabajo es, por lo tanto, puramente práctica. No estamos seguros de si las nuevas partículas físicas involucradas en las desintegraciones del bosón de Higgs pertenecerán al modelo de Hidden Valley que usamos. Sin embargo, hemos tratado este modelo como representativo de muchas otras propuestas para nueva física y han demostrado que si, como predice el modelo, los bosones de Higgs se descomponen en partículas exóticas, este fenómeno debería ser perfectamente visible en los colisionadores de electrones y positrones que se prevé lanzar en un futuro próximo", concluye el profesor Kucharczyk. .

Referencia: "Búsqueda de desintegraciones exóticas del bosón de Higgs en partículas de larga vida con pares de jets en el estado final en CLIC" por Marcin Kucharczyk y Mateusz Goncerz, 17 de marzo de 2023, Journal of High Energy Physics.DOI: 10.1007/JHEP03(2023) )131

La investigación en cuestión fue financiada por una subvención OPUS del Centro Nacional de Ciencias de Polonia.