Conectan el Bosón de Higgs con la materia oscura de forma más precisa

M. Hoferichter et al / Phys. Rev. Lett

El bosón de Higgs ayuda a explicar cómo las partículas obtienen masa, por lo que parece adecuado que pueda ofrecer la clave para comprender la materia oscura, la forma dominante de materia que, junto con la energía oscura, constituye el 95% de todo en el Universo. La ausencia de la desintegración invisible del bosón de Higgs en los datos recogidos en el Gran Colisionador de Hadrones, GHC, permite obtener un límite en la sección eficaz de la interacción de partículas de la materia oscura y normal. Físicos de EE. UU., Alemania y Japón prácticamente han eliminado la incertidumbre en estos límites. Para hacer esto, verificaron más de diez veces el valor del parámetro que determina la interacción del bosón de Higgs con el nucleón. El artículo fue publicado en Physical Review Letters.

En 2012, en el Gran Colisionador de Hadrones encontraron una partícula con una masa de aproximadamente 125 gigaelectronvoltios, GeV (el electronvoltio es una unidad de energía que representa la variación de energía), el candidato para el papel del bosón de Higgs. Otros estudios confirmaron que el espín, la paridad y el esquema de descomposición del bosón coinciden con las predicciones del Modelo Estándar. Curiosamente, si el bosón de Higgs se desintegrara en algunas partículas hipotéticas de larga vida no predicha por el Modelo Estándar y no dejara rastros en el detector (la llamada desintegración invisible del bosón de Higgs), registraríamos eventos en los que el impulso transversal cambiaría mucho. La ausencia de tales eventos impone límites a la física fuera del Modelo Estándar.

En particular, varios modelos alternativos (Higgs-portal models) están considerando para el rol de tales partículas hipotéticas a los WIMPs , que interactúan con los campos del Modelo Estándar a través del intercambio del bosón de Higgs. Bajo la condición de que la masa del WIMP es menor a la mitad de la masa del bosón, los límites al ancho de la desintegración invisible de Higgs y a la sección eficaz de la interacción de partículas de materia oscura y normal se encuentran en correspondencia. Esta correspondencia se basa en la interacción del bosón con quarks ligeros y gluones que constituyen el nucleón, y es descrito por elementos de matriz de una corriente escalar.

Diagramas de Feynman correspondientes a la interacción de WIMP χ con el quark q (a la izquierda) o el gluón g (a la derecha). / Phys. Rev. Lett

Si sumamos todos estos elementos de la matriz, obtenemos un cierto valor de fN, que describe la interacción efectiva del bosón de Higgs y el nucleón. Conociendo fN, ya es posible obtener límites en la sección eficaz de dispersión de los WIMPs en nucleones. Actualmente, para fN existen diferentes estimaciones de 0,260 a 0,629, que conduce a la definición difusa de límites en la sección eficaz. En este artículo, los científicos han aclarado significativamente la importancia de fN.

Para esto, los físicos dividieron el cálculo de fN en dos partes. La suma de los quarks pesados (t, b y c) en el orden principal se logra fácilmente debido a la anomalía de la traza QCD. Las enmiendas a esta suma que aparecen por el incumplimiento de la ley de conservación de isospín, son insignificantes para los nucleones (menos de una décima parte del 1%). Las correcciones de la teoría de perturbaciones se calcularon en un trabajo anterior. Para estimar la cantidad del quark ligero (u, d y s), los científicos establecieron lo anteriormente encontrado utilizando los valores de cálculos de elementos de matriz para quarks individuales. Como resultado, obtuvieron el valor final fN= 0.30 ± 0.018.

Además, los investigadores notaron que en los núcleos -que constan de varios nucleones- es necesario tener en cuenta la influencia de las partículas restantes del núcleo durante el cálculo de la interacción del nucleón con el bosón de Higgs. Las correcciones resultantes a fN se calcularon en la aproximación de la teoría de perturbación quiral (EFT, por sus siglas en inglés) y de dos nucleones que interactúan entre sí. La mayor contribución a esta interacción la proporcionan los diagramas que se muestran en la figura. Sin embargo, esta contribución no es tan grande (aproximadamente fN2b = 0,001), y la respuesta final prácticamente no cambia: fN = 0,308 ± 0,018.

Diagramas de Feynman que hacen la mayor contribución a fN cuando se tiene en cuenta la interacción de dos nucleones. Las líneas continuas corresponden a nucleones, las intermitentes a piones, con una cruz están marcados los lugares en los que es necesario tener en cuenta la interacción con el bosón de Higgs. /Phys. Rev. Lett

Conociendo el valor de fN, los científicos calcularon con una fórmula conocida los límites a la sección eficaz de dispersión de WIMPs en nucleones para tres supuestos modelos del portal de Higgs en el que la interacción de WIMP y el bosón de Higgs se produce a través de un campo escalar, vector o fermiónico. Para ello, usaron datos en las probabilidades de bosones de Higgs obtenidas en el Gran Colisionador de Hadrones. Los físicos también compararon estos resultados con las limitaciones determinadas a partir de observaciones directas de la dispersión de WIMP en el nucleón (o más bien, la ausencia de canales de dispersión). Los resultados más detallados se pueden ver en el diagrama dibujado por los científicos.

Comparación de los límites en la sección eficaz de dispersión de WIMPs en nucleones en función de la masa de partículas. Los datos se presentan para tres modelos de campos que aseguran la interacción de partículas de materia oscura y ordinaria, así como para la observación directa de la dispersión. Con plomo se muestran los errores en valores antiguos de fN. / Phys. Rev. Lett

De este modo, el trabajo de los científicos redujo significativamente la incertidumbre en el valor de fN (de más del 100% al 7%) y en los límites obtenidos experimentalmente en la probabilidad de interacción de partículas de materia oscura y convencional. Según los autores, este resultado muestra que la física nuclear moderna nos permite hacer un uso completo de los datos experimentales.

Dmitry Trunin

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