FÍSICA DE PARTÍCULAS

El lado oscuro del bosón de Higgs

En julio de 2012 el CERN confirmó la existencia del bosón de Higgs gracias a las colisiones protón-protón que se desintegraban bien en dos rayos gamma o en dos bosones Z. Pero el Higgs también puede desintegrarse en partículas invisibles, que podrían responder a lo que se ha dado en llamar “una nueva física” (como la materia oscura).

representaciíon artística de la colisión protón-protón que genera un bosón de Higgs
representaciíon artística de la colisión protón-protón que genera un bosón de Higgs CERN

Imagina por un momento que estás en casa y que escuchas un pitido continuo y muy molesto pero que no sabes qué lo produce; lo único que sabes es que el pitido existe y que lo que sea que lo produzca está en tu casa. Lo más normal es que te formules varias hipótesis de qué puede causarlo y, en función de ellas, buscar en unos sitios o en otros la fuente del sonido. Llegará un momento en que busques en los sitios más insospechados: dentro de los cojines, del congelador o en el desagüe de la bañera. En cualquier caso cada lugar en el que buscas y no encuentras debería ayudarte a refinar tus hipótesis, por ejemplo, limitando el tamaño de lo que puede producir ese pitido tan irritante. Algo parecido es lo que pasa con la materia oscura.

Las observaciones y modelos que se hacen sobre la evolución de las galaxias cada vez confirman más la existencia de la materia oscura. Y las hipótesis que se hacen para intentar encontrar unas partículas con las que no estamos familiarizados son de todo tipo. Algunas incluyen que podrían ser el producto de algún tipo de desintegración del bosón de Higgs.

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Efectivamente, el bosón de Higgs, detectado hace poco, podría ser la conexión entre las partículas con las que estamos familiarizados y también con esas otras que se resisten a ser detectadas pero que sabemos que existen, como la materia oscura. Para investigar esta posibilidad un grupo de investigadores ha estudiado los datos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) buscando aquellos eventos en los que un bosón de Higgs se desintegra en “partículas invisibles”, esto es, que no dejan traza en los detectores del LHC. La colaboración ATLAS, autora del estudio, ha encontrado que la probabilidad de este tipo de eventos no excede los valores previstos por el Modelo Estándar. Este resultado, publicado en Physical Review Letters, limita severamente las teorías que afirman que las partículas de materia oscura tienen una masa pequeña.

Los detectores ATLAS y CMS del LHC anunciaron conjuntamente el descubrimiento del bosón de Higgs en julio de 2012. Las detecciones se basaban principalmente en dos rutas de interacción en las que las colisiones protón-protón producían bosones de Higgs que se desintegraban bien en dos rayos gamma o en dos bosones Z. Pero el Higgs también puede desintegrarse en partículas invisibles, que pueden formar parte del Modelo Estándar (como los neutrinos) o responder a lo que se ha dado en llamar “una nueva física” (como la materia oscura).

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En este análisis la colaboración ATLAS se centró en colisiones que producen un bosón Z y un bosón de Higgs en las que éste se desintegra de forma no visible. El bosón Z se detecta por su desintegración  en un par de electrones o muones, mientras que el bosón de Higgs se infiere a partir de la cantidad de movimiento (o momento) que falta en los productos de la colisión. Recordemos que el momento es una propiedad que se conserva, como la energía, por lo que si los protones antes de la colisión tenían una determinada cantidad de movimiento los productos de la colisión que vemos deberían tener la misma, si no la tienen es porque existe una partícula que no vemos y que posee la cantidad de movimiento que falta.

Los investigadores, tras sustraer todos los eventos de fondo, estiman que el bosón de Higgs se desintegra en partículas invisibles no más del 75% de las ocasiones. Esto, sin embargo, es consistente con las predicciones del Modelo Estándar, lo que permite establecer unos límites más ajustados hasta ahora a la probabilidad de interacción del bosón de Higgs con las partículas candidatas a materia oscura en un rango de masas de entre 1 y 10 gigaelectronvoltios.

Como en el caso de la fuente del pitido, este resultado elimina algunas posibilidades. Pero también nos obliga a agudizar el ingenio. 

Referencias: G. Aad et al. (ATLAS Collaboration) (2014) Search for Invisible Decays of a Higgs Boson Produced in Association with a Z Boson in ATLAS Phys. Rev. Lett. 112, 201802 DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.201802

* Este artículo es parte de ‘Proxima’, una colaboración semanal de la Cátedra de Cultura Científica de la UPV con Next. Para saber más, no dejes de visitar el Cuaderno de Cultura Científica.


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