Científicos israelíes de la Universidad de Tel Aviv han descubierto nuevos conocimientos sobre el comportamiento de la partícula del bosón de Higgs (comúnmente conocida como la “partícula de Dios”) en un nuevo estudio, según anunció la universidad el domingo.
El bosón de Higgs es una partícula que, según la teoría, es la responsable de que las partículas se agrupen para formar estrellas, planetas y otros cuerpos. Los investigadores están estudiando la desintegración del bosón de Higgs en un par de partículas elementales llamadas quarks encanto.
El estudio se ha llevado a cabo como parte del experimento ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del centro de investigación CERN por el profesor Erez Etzion y los estudiantes de doctorado Guy Koren, Hadar Cohen y David Reikher de la Escuela de Física y Astronomía Raymond y Beverly Sackler de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad de Tel Aviv. El profesor Eilam Gross, del Instituto Weizmann de Ciencias, colaboró con el equipo de investigación.
El “encanto” es uno de los seis “sabores” o tipos de quarks del Modelo Estándar de la física de partículas. Los quarks se dividen en tres “generaciones” diferentes. La primera generación contiene quarks con las masas más pequeñas: “arriba” y “abajo”. La segunda generación, con masas mayores, contiene los quarks “encanto” y “extraño”. La tercera generación contiene los más pesados, los quarks “top” (verdad) y “bottom” (belleza).
El bosón de Higgs es una partícula elemental relativamente pesada y puede crearse en colisiones entre protones, siempre que la energía del acelerador sea lo suficientemente alta. “Es interesante investigar en qué tipos de partículas decae el bosón de Higgs, y con qué frecuencia decae en cada tipo de partícula”, dijo Koren en un comunicado de prensa. “Para ayudar a responder a esa pregunta, nuestro grupo está tratando de medir la velocidad con la que el bosón de Higgs decae en partículas llamadas ‘quarks encanto’”.
Koren subrayó que esta no es una misión sencilla. “Es un proceso muy raro: solo una de cada miles de millones de colisiones termina con la creación de bosones de Higgs, y solo el tres por ciento de los bosones de Higgs que surgen decaen en quarks encanto”, dijo Koren. “Además, hay otros cinco tipos de quarks, y el problema es que todos ellos dejan firmas similares en nuestros detectores. Así que incluso cuando este proceso tiene lugar, nos resulta muy difícil identificarlo”.
Los investigadores aún no han identificado suficientes desintegraciones de los bosones de Higgs en quarks encanto para medir la tasa del proceso con la precisión estadística necesaria, pero han encontrado datos suficientes para afirmar cuál es la tasa máxima del proceso con respecto a las predicciones teóricas.
El estándar de oro de la física de partículas es de cinco desviaciones estándar, también conocidas como cinco sigma, lo que significa que hay aproximadamente una posibilidad entre 3,5 millones de que la medición sea una coincidencia estadística.
Si se comprueba que la tasa de desintegración es superior a la prevista, podría constituir un importante indicador de “nueva” física o de expansiones del Modelo Estándar. Los científicos han llegado a la conclusión, con una certeza estadística bien definida, de que “no hay ninguna posibilidad” de que la tasa de desintegración sea superior a 8,5 veces las predicciones teóricas, ya que se habrían observado suficientes desintegraciones de este tipo como para medirla si así fuera.
“Puede que no parezca una declaración tan emocionante, pero es la primera vez que alguien consigue decir algo importante sobre la tasa de esta desintegración específica basándose en una medición directa de la misma, por lo que es una declaración muy importante y significativa en nuestro campo”, dijo Koren.
Etzion explicó en el comunicado de prensa que se predice que la tasa de desintegración del bosón de Higgs es proporcional a la masa (al cuadrado) de las partículas en las que decae. “Por lo tanto, esperamos que en la mayoría de los casos decaiga en las partículas más pesadas (más ligeras que el bosón de Higgs), y solo en raras ocasiones decaerá en las ligeras”.
Los resultados que el equipo encontró confirman esta predicción, según Etzion, con suficientes desintegraciones del Higgs en los quarks pesados de tercera generación observados para verificar su existencia y medir su tasa.
“La tasa corresponde efectivamente a las predicciones teóricas, pero el juego no ha terminado, ya que aún no se han observado las desintegraciones de Higgs en quarks de segunda (o primera) generación. Y, por tanto, aún no podemos estar seguros de que las mismas ‘reglas’ se apliquen a los quarks de esas generaciones”, añadió Etzion.
“Si de repente descubrimos que el bosón de Higgs decae en ellos a un ritmo que no es proporcional al cuadrado de su masa, podría haber implicaciones de gran alcance para nuestra comprensión del universo, y en particular sobre la forma en que las partículas elementales obtienen su masa”, dijo Etzion. “Esta es también la razón por la que estamos invirtiendo tantos esfuerzos en caracterizar la desintegración de los bosones de Higgs en quarks encanto: este es el quark más pesado en el que aún no se ha medido la tasa de desintegración”.
El nuevo estudio es el último de una serie de investigaciones revolucionarias que se han publicado en el CERN en los últimos meses.
En julio, el experimento de belleza del Gran Colisionador de Hadrones (LHCb) en el CERN presentó el descubrimiento de una nueva partícula que es la materia exótica más longeva jamás descubierta, etiquetada como Tcc+, un tetraquark, un hadrón exótico que contiene dos quarks y dos antiquarks. La partícula es también la primera que contiene dos quarks pesados y dos antiquarks ligeros.
Los hadrones se forman a partir de quarks. Tcc+ contiene dos quarks encanto y un antiquark arriba y otro abajo. Los quarks encanto (quarks de segunda generación) son más pesados que los quarks arriba y abajo (quarks de primera generación). Esto se denomina “doble encanto abierto”. Mientras que las partículas con un quark encanto y un antiquark encanto tienen un número cuántico de encanto que suma cero (conocido como “encanto oculto”), esta partícula tiene un número cuántico de encanto que suma dos.
El descubrimiento de la nueva partícula allana el camino para la búsqueda de partículas más pesadas del mismo tipo, con uno o dos quarks encanto sustituidos por quarks bottom, que podrían tener una vida mucho más larga que cualquier hadrón exótico observado anteriormente.
En marzo, los físicos de las universidades de Cambridge, Bristol y el Imperial College de Londres que participan en el experimento LHCb en el CERN publicaron un artículo en el que afirmaban que los datos del LHC sugerían una violación del Modelo Estándar, lo que podría apuntar a la existencia de nuevas partículas o una nueva fuerza de la naturaleza. El artículo aún no ha sido revisado por los expertos.
Los científicos encontraron pruebas de que los quarks “belleza” no decaen de la forma en que deberían hacerlo según el Modelo Estándar.
Los quarks encantadores, partículas similares pero más pesadas que los electrones, interactúan con todas las fuerzas de la misma manera, por lo que deberían decaer en muones y electrones a la misma velocidad.
Sin embargo, los datos recogidos por el LHCb parecen mostrar que estos quarks decaen en muones con menos frecuencia de la que decaen en electrones, lo que solo debería ser posible si partículas desconocidas estuvieran interfiriendo y haciendo más probable que decaigan en electrones.
Aunque el Modelo Estándar no explica el 95% de la composición del universo, es la teoría central actual de la física de partículas. Si los resultados se confirman aún más, podría abrir toda una nueva área de la física por descubrir.
El LHC es el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo, con 27 kilómetros de longitud. Dos haces de partículas de alta energía viajan a una velocidad cercana a la de la luz dentro del acelerador hasta que colisionan, formando nuevas partículas y permitiendo a los físicos estudiar partículas que son inestables y no pueden ser observadas directamente.