Observado en el LHC un raro proceso con las partículas más masivas conocidas

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Las colaboraciones científicas internacionales que operan en los experimentos ATLAS y CMS en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) acaban de anunciar la primera observación de la producción simultánea de cuatro quarks top. Se trata de la partícula elemental más masiva conocida, por lo que requiere mucha energía para producirse.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo, es el único capaz de producir a la vez cuatro quarks top, el proceso más raro que observado hasta la fecha y que produce el estado final más pesado. 

El quark top, uno de los ladrillos que componen todo lo que vemos en el universo, puede tener la clave del mecanismo que genera la masa, dado que es la partícula elemental más pesada del modelo estándar, la teoría que describe el universo visible.

El estudio de la producción de cuatro quarks top es particularmente importante, ya que nuevas partículas o fuerzas podrían alterar la probabilidad de producirlos a partir de las predicciones del modelo estándar. Es una especie de ‘Santo Grial’ de la búsqueda de ‘nueva física’.

La colaboración científica ATLAS, nombrada como uno de los dos grandes experimentos del LHC y en la que participan más de 5.000 investigadores y técnicos de todo el mundo, ya había encontrado indicios de la producción simultánea de cuatro quarks top en los datos obtenidos entre 2015 y 2018 (durante el llamado periodo de funcionamiento o Run 2).

Confianza estadística en los datos

Tras cuatro años de toma de datos y cinco de análisis, este equipo científico ha revisado la búsqueda aprovechando las mejoras en el rendimiento del detector, nuevas técnicas de análisis (entre ellas el aprendizaje automático denominado Graph Neural Network) y una mejor comprensión de los principales procesos de fondo. Todo ello hace que el resultado, presentado la semana pasada en la conferencia de Moriond (Francia), alcance los seis sigmas, un valor de confianza estadística que confirma el hallazgo.

“Estamos muy contentos de que finalmente se haya descubierto este proceso. A lo largo de mi trayectoria he podido trabajar en estudios fenomenológicos relacionados antes del inicio del LHC. Es una gran satisfacción ser finalmente testigo de este descubrimiento del modelo estándar después de todos estos años”, comenta Marcel Vos, investigador del Instituto de Física Corpuscular (IFIC). Este centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia ha participado de forma destacada en la observación.

El entusiasmo que provoca el hallazgo en la comunidad científica de física de partículas proviene del espectacular estado final. Con cuatro quarks top, las masas restantes suman por sí solas 700 gigaelectronvoltios (GeV), cerca de la energía de colisión máxima alcanzada en el anterior acelerador de partículas más potente, el Tevatron en el laboratorio Fermilab (EEUU). El hecho de que el LHC pueda descubrir este proceso es un testimonio del gran poder de esta compleja máquina.

Relación con el bosón de Higgs

Durante esta investigación, el equipo ha buscado también señales de nuevos fenómenos físicos en relación con el bosón de Higgs. El nuevo análisis les ha llevado a acotar la interacción entre el quark top y este bosón, poniendo un límite de 1,8 veces la predicción del modelo estándar. Finalmente, también se ha observado un ligero exceso en la tasa en comparación con la predicción del modelo de referencia para los físicos, lo que hace que el resultado sea aún más intrigante.

En muchas de las extensiones del modelo estándar propuestas, la tasa de producción de sucesos con cuatro quarks top aumenta. “Con el tiempo se podrá confirmar si es la primera señal de una contribución inesperada de la física a este proceso más allá del modelo estándar, o si mediciones más precisas en el futuro coincidirán con él. Por ahora, CMS, el otro gran experimento del LHC, también ha confirmado la observación”, destaca Vos.

La colaboración ATLAS continuará impulsando la precisión de esta medición durante el Run 3 del LHC, que está en curso desde 2022. Los estudios futuros brindarán información adicional sobre la señal observada, lo que ayudará a determinar si realmente coincide con el modelo estándar o si hay indicios de nuevos fenómenos físicos que conduzcan a una comprensión más profunda de la naturaleza fundamental del universo.