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Evidencia de las contribuciones del bosón de Higgs a la producción de pares de bosones Z a altas energías

El bosón de Higgs, la partícula subatómica fundamental asociada con el campo de Higgs, se descubrió por primera vez en 2012 como parte de los experimentos ATLAS y CMS, los cuales analizan los datos recopilados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, el acelerador de partículas más poderoso que existe. . Desde el descubrimiento del bosón de Higgs, los equipos de investigación de todo el mundo han intentado comprender mejor las propiedades y características de esta partícula única.

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La Colaboración CMS, el gran grupo de investigadores involucrados en el experimento CMS, obtuvo recientemente una medida actualizada del ancho del bosón de Higgs, al mismo tiempo que reunió la primera evidencia de sus contribuciones fuera de la cáscara a la producción de pares de bosones Z. Sus hallazgos, publicados en Nature Physics, son consistentes con las predicciones del modelo estándar.

Izquierda: barrido de probabilidad de dos parámetros de los parámetros de intensidad de la señal de producción fuera de caparazón gg y EW, 𝜇fuera de caparazónF y 𝜇fuera de caparazónV, respectivamente. Los contornos de puntos y rayas encierran las regiones CL del 68 % (−2Δln𝐿=2,30) y del 95 % (−2Δln𝐿=5,99). La cruz marca el mínimo y el rombo azul marca la expectativa SM. La luminosidad integrada alcanza solo hasta 138 fb−1 ya que los eventos de 4ℓ en la carcasa no se incluyen en la realización de este escaneo. Derecha: escaneos de probabilidad de un parámetro observados (sólidos) y esperados (discontinuos) sobre ΓH. Los escaneos se muestran para la combinación de 4ℓ datos en el caparazón con 4ℓ fuera del caparazón (magenta) o 2ℓ2ν datos fuera del caparazón (verde) solos, o con ambos conjuntos de datos (negro). Las líneas horizontales indican las regiones CL del 68 % (−2Δln𝐿=1,0) y del 95 % (−2Δln𝐿=3,84). La luminosidad integrada alcanza hasta 140 fb−1 ya que se incluyen eventos de 4ℓ en la carcasa para realizar estos escaneos. La exclusión de la hipótesis de no estar fuera de la cáscara es consistente con 3.6 s.d. en ambos paneles. Crédito: La Colaboración CMS.

«La descripción teórica cuántica de las partículas fundamentales es de naturaleza probabilística, y si considera todos los diferentes estados de una colección de partículas, sus probabilidades siempre deben sumar 1, independientemente de si observa esta colección ahora o en algún momento posterior», Ulascan. Sarica, investigadora de CMS Collaboration, a Phys.org. «Cuando se analiza matemáticamente, esta simple declaración impone restricciones, los llamados límites de unitaridad, sobre las probabilidades de interacciones de partículas a altas energías».

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Desde la década de 1970, los físicos han predicho que cuando se producen pares de bosones vectoriales pesados ​​Z o W, se violarían las restricciones típicas a altas energías, a menos que un bosón de Higgs contribuyera a la producción de estos pares. Durante los últimos diez años, los cálculos de la física teórica mostraron que la ocurrencia de estas contribuciones del bosón de Higgs a altas energías debería poder medirse utilizando los datos existentes recopilados por el LHC.

«Otras investigaciones han demostrado que el ancho de decaimiento total del bosón de Higgs, que es inversamente proporcional a su vida útil y se predice en el modelo estándar que es notablemente muy pequeño (4,1 megaelectronvoltios de ancho, o 1,6 × 10-22 segundos en tiempo de vida) puede determinarse utilizando estos eventos de alta energía con una precisión al menos cien veces mejor que otras técnicas limitadas por la resolución del detector (1000 megaelectronvoltios en medidas de ancho total y 1,9 × 10-13 segundos en medidas de vida útil)». explicó Sarica.

«Por estas razones, nuestro artículo tenía dos objetivos: buscar la presencia de contribuciones del bosón de Higgs a la producción de dibosones pesados ​​a altas energías, y medir el ancho de desintegración total del bosón de Higgs con la mayor precisión posible a través de estas contribuciones».

Como parte de su estudio reciente, la colaboración de CMS analizó algunos de los datos recopilados entre 2015 y 2018, como parte de la segunda serie de recopilación de datos del LHC. Se centraron específicamente en eventos caracterizados por la producción de pares de bosones Z, que posteriormente se descompusieron en cuatro leptones cargados (es decir, electrones o muones) o dos leptones cargados y dos neutrinos.

Los análisis experimentales anteriores sugieren que estos dos patrones únicos son los más sensibles a la producción de pares pesados ​​de bosones a altas energías. Por lo tanto, al analizar eventos que coincidían con estos patrones, el equipo esperaba obtener resultados más claros y confiables.

«Observamos la primera evidencia de las contribuciones del bosón de Higgs en la producción de pares de bosones Z a altas energías con una significación estadística de más de 3 desviaciones estándar», dijo a Phys.org Li Yuan, otro miembro de la colaboración CMS. «El resultado apoya firmemente el mecanismo espontáneo de ruptura de simetría electrodébil, que preserva la unitaridad en la producción de dibosones pesados ​​​​a altas energías».

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Además de recopilar evidencia de las contribuciones del bosón de Higgs a la producción de ZZ, la colaboración de CMS pudo mejorar significativamente las mediciones existentes del ancho de desintegración total o la vida útil del bosón de Higgs. Se creía que la medida que recogieron era inalcanzable hace 10 años, dado el estrecho ancho de la partícula (es decir, 4,1 megaelectrones voltios según las predicciones del modelo estándar de física de partículas).

«Nuestro resultado para esta medición es de 3,2 megaelectronvoltios con un error superior de 2,4 megaelectronvoltios y un error inferior de 1,7 megaelectronvoltios», dijo Yuan. «Este resultado es consistente con la expectativa del modelo estándar hasta el momento, pero todavía hay espacio para que una medición futura con una precisión aún mayor pueda desviarse de la predicción».

El trabajo reciente de la colaboración CMS ofrece una nueva perspectiva sobre las propiedades del bosón de Higgs, al tiempo que destaca su contribución a la producción de pares de bosones Z. En sus próximos estudios, los investigadores planean continuar su exploración de esta fascinante partícula subatómica utilizando nuevos datos recopilados en el LHC y técnicas de análisis avanzadas.

«Si bien nuestros resultados han alcanzado una significación estadística más allá del umbral de 3 desviaciones estándar, que generalmente se toman como evidencia en la comunidad de física de partículas, se necesitan más datos para poder alcanzar el umbral de 5 desviaciones estándar para reclamar un descubrimiento». dijo Sarica.

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La tercera serie de recopilación de datos del LHC comenzó este año y se espera que continúe hasta finales de 2025. Sarica, Yuan y el resto de la colaboración CMS ya han comenzado los preparativos que les permitirán medir el ancho del bosón de Higgs con una precisión aún mayor. precisión utilizando los nuevos datos recopilados como parte de esta tercera ronda de recopilación de datos.

«Además, nuestro análisis CMS aún no incluye el análisis de eventos de alta energía con cuatro leptones cargados de los datos de 2018, y se están realizando preparativos para su inclusión en una actualización», agregó Sarica.

«Los resultados preliminares recientes de la Colaboración ATLAS, presentados el 9 de noviembre durante la conferencia Higgs 2022, también brindan una confirmación independiente de la evidencia que encuentra CMS, por lo que una vez que sus resultados pasen por una revisión por pares, esperamos que las dos colaboraciones puedan discutir cómo la se pueden combinar dos análisis para proporcionar las mejores mediciones de las contribuciones del bosón de Higgs a alta energía y su ancho total».

Con información de Nature Physics

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Skycr_editorhttps://hdavila.com/
Homer Dávila. Máster en geología. Miembro de la International Meteor Organization. Astronomía, radioastronomía, cosmología y ciencia planetaria.
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