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Effective Field Theory predictions for Higgs production processes at the Large Hadron Collider

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Búsqueda de pruebas de la nueva física

El bosón de Higgs es una partícula elemental que fue confirmada en 2012 y completa el Modelo Estándar utilizado para estudiar las partículas elementales y sus interacciones. Sin embargo, unas mediciones más exactas del Modelo Estándar pueden contener indicios de una nueva física, tal y como se investigó en HEFTinLOOPS.

Investigación fundamental

El Modelo Estándar (ME) es una teoría que compendia el conocimiento sobre las partículas elementales y sus interacciones. En la actualidad, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), ubicado es Suiza, evalúa el estrés del ME a través de mediciones exactas de las reacciones entre distintas partículas. Para identificar las desviaciones que podrían apuntar a una nueva física (más allá de este modelo), estas mediciones se comparan con las predicciones del ME. La nueva física puede demostrarse incluso cuando las nuevas partículas son demasiado pesadas para producirlas de forma directa por colisiones, ya que estas últimas modifican las interacciones de las partículas ya conocidas. Al medir con precisión de estas interacciones, los investigadores pueden extraer los primeros indicios de la nueva física. El proyecto HEFTinLOOPS, financiado con fondos europeos, empleó el marco teórico conocido como teoría de campo efectivo (EFT, por sus siglas en inglés) para calcular el posible impacto de las partículas pesadas desconocidas en los diversos procesos de producción del bosón de Higgs y del quark top, medidos en el LHC. Como el quark top y el bosón de Higgs son las dos partículas elementales más pesadas, y tienen las interacciones menos conocidas, desempeñan una función crucial en las teorías de la nueva física. El proyecto, llevado a cabo con el apoyo del programa Marie Skłodowska-Curie, proporcionó predicciones teóricas para el programa de la teoría de campo efectivo del Modelo Estándar del LHC (SMEFT, por sus siglas en inglés). Desarrolló las herramientas que necesitaban los experimentadores y teóricos para llevar a cabo esta tarea. HEFTinLOOPS también produjo cálculos precisos para varios procesos de dispersión de partículas, centrándose en la producción de del quark top y del bosón de Higgs, así como en la interpretación de las mediciones del LHC dentro del SMEFT.

Cálculos precisos

HEFTinLOOPS se propuso predecir cómo la probabilidad de producir un bosón Higgs o una partícula de quark top en el LHC cambiaría si existieran algunas partículas pesadas aún desconocidas. Para ello, el proyecto tuvo que crear en primer lugar las técnicas y los códigos informáticos necesarios para realizar predicciones precisas que permitieran extraer información sobre estas partículas. Con el fin de realizar estos cálculos, HEFTinLOOPS desarrolló componentes de un generador Montecarlo. Se trata de un código informático que predice la frecuencia con la que se producirá un proceso de dispersión en un colisionador. De esta manera, puede calcular el efecto de las nuevas interacciones en las tasas de producción del bosón de Higgs o del quark top. Los investigadores consideraron varios modos para producir el bosón de Higgs, como un bosón asociado con un quark top, con cromodinámica cuántica (QCD) y un bosón vectorial, así como la producción de un bosón de Higgs doble. Todos estos procesos son importantes porque ofrecen información sobre cómo el bosón de Higgs interactúa con las otras partículas del ME, y con él mismo. «El proyecto implicó muchos cálculos analíticos, pero también la codificación de nuevos resultados en herramientas informáticas. Este fue un objetivo importante ya que puso los resultados a disposición de toda la comunidad de la física de colisionadores», explica Eleni Vryonidou, beneficiaria de una beca de investigación Marie Skłodowska-Curie. Al comparar las predicciones teóricas para la producción del quark top con los datos del LHC, el proyecto no encontró desviaciones significativas con respecto a las predicciones del ME, pero al establecer las restricciones más severas para las nuevas interacciones con el quark top, se avanzó en la búsqueda de la nueva física.

Hacia la nueva física

HEFTinLOOPS creó las primeras herramientas computacionales precisas necesarias, teniendo en cuenta las incertidumbres, para las diferentes predicciones de la producción del bosón de Higgs y del quark top en el LHC, en el marco de la EFT. La comunidad más amplia de la física de partículas ya ha utilizado ampliamente los resultados teóricos del proyecto y las herramientas conexas para interpretar sus mediciones, y les han ayudado a precisar la escala y la naturaleza de la nueva física. «HEFTinLOOPS mejora nuestra comprensión de los constituyentes de la materia más pequeños y sus interacciones, lo que ayuda a responder algunas de las preguntas más fundamentales de la naturaleza», dice Vryonidou. Tras la comparación de las predicciones del ME para la producción del quark top con las mediciones del LHC, el siguiente paso será hacer lo mismo para el bosón de Higgs.

Palabras clave

HEFTinLOOPS, nueva física, bosón de Higgs, quark top, Modelo Estándar, Gran Colisionador de Hadrones, teoría de campo efectivo, partículas, colisiones

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