El Grup de Física de Partícules de l'Institut de Física Corpuscular (IFIC), centre mixt del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat de València (UV), porta més de tres dècades contribuint a l’experiment ATLAS del Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC, de les seues sigles en anglés). El seu treball abasta tant l’anàlisi de dades com la construcció, operació i actualització del propi detector. Totes les seues investigadores i investigadors participen activament en estudis relacionats amb el quark top i el bosó de Higgs, a més de en la cerca de matèria fosca o senyals de supersimetria, entre altres possibles indicis de nova física més enllà del Model Estàndard.

Un gran nou pas per a entendre la interacció entre el bosó de Higgs i el quark top i com aquest pot revelar nova física

L’experiment ATLAS, un dels grans detectors del LHC, ha fet un pas important per a entendre com el bosó de Higgs, la partícula que dona massa a les altres, interactua amb el quark top, la partícula elemental més pesada coneguda. Per primera vegada, les científiques i els científics de la col·laboració ATLAS han realitzat una cerca optimitzada específicament per a estudiar la producció conjunta d’un únic quark top i un bosó de Higgs (denominada tH), un procés extremadament rar dins del Model Estàndard i encara no observat experimentalment. Aquest resultat acosta la comunitat científica a mesurar amb major precisió l’acoblament entre totes dues partícules, una interacció clau del Model Estàndard de física de partícules.

La producció associada del bosó de Higgs amb una parella formada per un quark top i un antiquark top ja ha sigut observada en ATLAS i CMS, però produir un bosó de Higgs junt a un sol quark top continua sent un dels processos menys explorats. Aquest mecanisme és especialment interessant perquè, a causa de com intervé l’acoblament del bosó de Higgs al quark top, comparar la seua taxa de producció amb la predicció del Model Estàndard podria revelar indicis de l’anomenada violació de la simetria CP, un fenomen relacionat amb la diferència entre matèria i antimatèria. Donat que el Model Estàndard no explica del tot per què l’Univers està compost quasi exclusivament de matèria, qualsevol pista en aquesta direcció resulta especialment rellevant.

El paper de l’IFIC en l’anàlisi

Els doctors formats en l’IFIC, Pablo Martínez Agulló i Jesús Guerrero Rojas, sota la direcció de les investigadores Susana Cabrera Urbán i Carlos Escobar Ibáñez (qui, a més, coordina el grup de treball d’ATLAS encarregat d’aquests anàlisis i d’altres que estudien diferents desintegracions del bosó de Higgs, així com la combinació de tots els canals experimentals per a augmentar la sensibilitat), han desenvolupat un paper essencial en aquest treball, que forma part de les seues tesis doctorals. La seua anàlisi s’ha centrat en les desintegracions del bosó de Higgs en diferents tipus de partícules, cosa que ha permés explorar diversos canals experimentals sensibles a la producció tH. En aquestes collisions poden produir-se diversos leptons, un tipus de partícula lleugera: els més comuns són els electrons, els muons (electrons més pesats) i els leptons tau (més pesats i de vida més curta).

L’anàlisi més sensible fins ara i el seu futur

Malgrat que el procés tH és extraordinàriament rar (amb una secció eficaç inclusiva de 74,3 fb) i que encara no s’ha pogut observar de forma experimental, el nou anàlisi d’ATLAS ha aconseguit establir els límits més estrictes obtinguts fins al moment per a aquest procés. En concret, ATLAS establix que la taxa de producció del procés tH en les collisions del LHC no supera unes 14 vegades la predicció del Model Estàndard amb un 95% de fiabilitat estadística. Aquest avanç no sols demostra l’enorme repte experimental que suposa estudiar un senyal tan dèbil entre milions de collisions, sinó que també confirma que les tècniques desenvolupades (des de l’ús combinat de múltiples canals fins a mètodes avançats d’intel·ligència artificial per a la identificació de leptons, la reconstrucció de desintegracions del bosó de Higgs o la discriminació entre senyal i soroll) estan funcionant al nivell requerit per a futures cerques.

En escenaris alternatius on la interacció entre el Higgs i el quark top tindria un comportament diferent del predicte pel Model Estàndard, com aquells en què aquesta interacció canviaria en invertir matèria per antimatèria (el que es coneix com una component CP-impar), l’experiment obté una cota superior encara més restrictiva respecte a l’escenari del Model Estàndard, de 2,4. Encara que aquestes xifres indiquen que encara no es pot afirmar la seua observació experimental, representen un avanç essencial, perquè demostr en que la sensibilitat de l’experiment està millorant ràpidament i que els mètodes desenvolupats ja aconseguixen el nivell requerit perquè futures campanyes de dades —especialment en el LHC d’alta lluminositat (HL-LHC, de les seues sigles en anglés)— permeten estudiar amb molta més sensibilitat l’acoblament entre el bosó de Higgs i el quark top, una de les interaccions més importants per a comprendre per què les partícules tenen massa i quin paper juga el bosó de Higgs en l’evolució de l’Univers.

Aquest estudi ha sigut publicat en la prestigiosa revista Journal of High Energy Physics (JHEP): https://doi.org/10.1007/JHEP10(2025)093.