Por primera vez, los físicos de partículas han observado la producción simultánea de un fotón y un quark top. El hito se logró gracias a la colaboración ATLAS, que opera un detector gigante en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. El descubrimiento podría conducir a una comprensión más profunda de la interacción electrodébil y su enigmática relación con el campo de Higgs.
Según el modelo estándar de física de partículas, el campo de Higgs proporciona masa a algunas partículas fundamentales mediante una ruptura de simetría electrodébil (un proceso llamado mecanismo de Higgs). Esta idea se propuso por primera vez en 1964 y se confirmó en 2012, cuando los físicos que trabajaban en ATLAS y CMS (también en el LHC) hicieron la primera observación del bosón de Higgs, que es la manifestación de partículas del campo de Higgs.
Sin embargo, más de una década después de ese famoso descubrimiento, el funcionamiento interno de este mecanismo de ruptura de simetría sigue siendo un misterio persistente. Y en el LHC se están haciendo muchos esfuerzos para resolver este misterio.
En este último estudio, los investigadores de ATLAS profundizaron en la ruptura de simetría electrodébil examinando las detecciones del quark top en los datos recopilados por el experimento durante las colisiones de protones de alta energía. El quark top es especialmente adecuado para esta tarea, ya que interactúa con el campo de Higgs con más fuerza que cualquier otra partícula fundamental, lo que la convierte en la partícula más pesada del modelo estándar.
Es más fácil decirlo que hacerlo
Idealmente, este estudio implicaría estudiar los productos de desintegración de los quarks superiores individuales, buscando desviaciones de las predicciones del Modelo Estándar que podrían arrojar luz sobre la ruptura de simetría electrodébil. Pero es más fácil decirlo que hacerlo, según Juan Alison en la Universidad Carnegie Mellon en EE. UU., que pertenece a la colaboración CMS y es ex miembro de ATLAS.
“La producción de un solo quark top es difícil de ver, ya que se produce por una interacción débil. Esto lo hace mucho más pequeño que la producción del par de quarks top, que está controlada por la interacción fuerte”.
Sin embargo, estos pares quark-antiquark son mucho menos sensibles a la interacción electrodébil y no nos informan sobre los orígenes de la ruptura de simetría con tanta eficacia como los quarks superiores individuales.
Para solucionar este problema, el equipo buscó evidencia de un par de partículas alternativo en los datos de ATLAS. "Este análisis lleva las observaciones de un solo quark un paso más allá", explica Alison. "El equipo ATLAS intentó observar un top único con un fotón extra interactuando con el quark top, cuya carga está directamente relacionada con el tamaño de la señal".
Plétora de parejas
Estos quarks top individuales existen dentro de una gran cantidad de pares quark-antiquark, y para encontrarlos, los investigadores buscaron detecciones simultáneas del conjunto específico de productos de desintegración del quark top.
Después de su producción, un quark superior se desintegra rápidamente en un quark inferior y un bosón W, que a su vez se desintegra en un electrón o un muón y un neutrino. Al mismo tiempo, el quark inferior se combina con otros quarks para formar nuevos hadrones. Estas partículas luego se descomponen en una pulverización colimada de partículas llamada "chorro b".
La detección de estos productos específicos presentó un desafío adicional. Buscar un par quark-fotón superior ya es bastante difícil, pero el equipo de ATLAS fue más allá y utilizó técnicas de aprendizaje automático para investigar directamente el acoplamiento fotón-superior”, explica Alison.
El algoritmo de aprendizaje automático del equipo, entrenado mediante simulaciones de eventos de quarks y fotones superiores, podría seleccionar específicamente detecciones simultáneas del fotón de rayos gamma, el chorro b, el electrón o el muón, y parte de la energía faltante asociada con el neutrino, que pasa de manera invisible a través de ATLAS. ' detectores.
Alto grado de confianza
Sus resultados fueron increíblemente prometedores. "El proceso se observó con un alto grado de confianza, mucho más allá del nivel de confianza de 5σ que es el punto de referencia en el campo", dice Alison. En total, las principales observaciones de quarks y fotones identificadas por el algoritmo tuvieron una significación estadística de 9.8σ. Esto significa que es extremadamente improbable que los acontecimientos hayan surgido de forma aleatoria.
En el CERN se realiza una medición de alta precisión de la fuerza fuerte
Es más, "el número de eventos de señales observados coincide aproximadamente con el predicho por nuestra teoría", continúa Alison. Esta tasa de detección fue entre un 30% y un 40% mayor que la predicha por el modelo estándar.
El equipo ATLAS espera ahora investigar con más detalle las propiedades de los eventos de quarks superiores y fotones en futuros estudios, con el objetivo de descubrir nuevas pistas sobre el funcionamiento interno de la ruptura de la simetría electrodébil. Si se logra, esto podría ser un paso clave hacia la comprensión de la naturaleza generadora de masa del bosón de Higgs.
"El resultado podría utilizarse para limitar teorías hipotéticas que son más profundas que el modelo estándar", añade Alison. "Observar este proceso también ofrece una nueva forma de probar las predicciones del modelo estándar y demuestra cómo podemos extraer una señal pequeña y compleja de fondos mucho más grandes".
La investigación se describe en Physical Review Letters.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/simultaneous-production-of-a-top-quark-and-a-photon-observed-for-the-first-time/
