Un experimento del LHC observa un raro proceso con cuatro quarks top, las partículas más masivas conocidas
La colaboración científica internacional que opera el experimento ATLAS en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) acaba de anunciar la primera observación de la producción simultánea de cuatro quarks top en las colisiones del acelerador de partículas. El Instituto de Física Corpuscular (IFIC, UV-CSIC) tiene un papel destacado en este hallazgo considerado clave para buscar nuevas partículas más allá del Modelo Estándar.
El quark top es la partícula elemental más masiva conocida, por lo que requiere mucha energía para producirse. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo, es el único capaz de producir a la vez cuatro quarks top, el proceso más raro observado hasta la fecha y que produce el estado final más pesado. El Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto de la Universitat de València (UV) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), participa en el hallazgo.
El quark top, uno de los ‘ladrillos’ que componen todo lo que vemos en el universo, puede tener la clave del mecanismo que genera la masa, dado que es la partícula elemental más pesada del Modelo Estándar, la teoría que describe el universo visible. El estudio de la producción de cuatro quarks top es particularmente importante; una especie de ‘Santo Grial’ de la búsqueda de ‘nueva física’.
La Colaboración ATLAS, uno de los dos grandes experimentos del LHC donde participan más de 5.000 científicos y técnicos de todo el mundo, había encontrado indicios de la producción simultánea de cuatro quarks top en los datos obtenidos entre 2015 y 2018 (Run 2). Ahora, el equipo científico de ATLAS ha revisado la búsqueda aprovechando las mejoras en el rendimiento del detector, nuevas técnicas de análisis –entre ellas el aprendizaje automático denominado Graph Neural Network– y una mejor comprensión de los principales procesos de fondo. Todo ello hace que el resultado, presentado la semana pasada en la conferencia de Moriond, alcance los seis sigmas de confianza estadística y confirme el hallazgo.
Participación española
Los grupos de investigación del Instituto de Física Corpuscular y del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) han tenido una gran relevancia en la búsqueda de procesos raros con quarks top. Marcel Vos, investigador del IFIC, es el coordinador del grupo de física de top del experimento ATLAS, mientras que Aurelio Juste, investigador del IFAE, es el presidente del consejo editorial que ha revisado la publicación.
El entusiasmo que provoca el hallazgo en la comunidad científica de física de partículas proviene del espectacular estado final. Con 4 quarks top, las masas restantes suman por sí solas 700 gigaelectronvoltios (GeV), cerca de la energía de colisión máxima alcanzada en el anterior acelerador de partículas más potente, el Tevatron en Fermilab (EE. UU.). El hecho de que el LHC pueda descubrir este proceso es un testimonio del gran poder de esta compleja máquina.
“Con el tiempo se podrá confirmar si es la primera señal de una contribución inesperada de la física a este proceso más allá del Modelo Estándar, o si mediciones más precisas en el futuro coincidirán con el modelo. Por ahora, CMS, el otro gran experimento del LHC, también ha confirmado esta observación”, apunta Marcel Vos.
La Colaboración ATLAS continuará impulsando la precisión de esta medición durante el Run 3 del LHC, que está en curso desde 2022. Los estudios futuros brindarán información adicional sobre la señal observada, lo que ayudará a determinar si realmente coincide con el Modelo Estándar o si hay indicios de nuevos fenómenos físicos que conduzcan a una comprensión más profunda de la naturaleza fundamental del universo.
