Físicos del CERN detectan indicios de la desintegración del bosón de Higgs en un par muón-antimuón
La señal es tan rara que apenas dos de cada diez mil Higgs se desintegran así, pero el detector ATLAS del CERN ha logrado captarla. El hallazgo abre una nueva ventana para entender cómo el bosón de Higgs interactúa con partículas ligeras como los muones.
Por Enrique Coperías
ATLAS, uno de los dos grandes detectores de propósito general del LHC, mide 46 metros de largo, 25 de alto y pesa 7.000 toneladas. Este sofisticado instrumento permite estudiar desde el bosón de Higgs hasta posibles partículas de materia oscura. En él trabajan más de 4.000 científicos de 181 instituciones de 42 países. Cortesía: CERN
Treces años después de que el bosón de Higgs apareciera por fin en los detectores de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, el famoso CERN, en Suiza, el escurridizo mecanismo mediante el cual el campo de Higgs —del que el bosón es su partícula asociada— otorga masa a las demás partículas, sigue revelando matices.
ATLAS, uno de los dos grandes experimentos del gran colisionador de hadrones (HLC) del CERN acaba de proporcionar una evidencia largamente buscada por los físicos: la desintegración del bosón Higgs en un par formado por un muón y un antimuón, dos partículas casi gemelas de los electrones pero unas doscientas veces más pesadas. El hallazgo, apoyado por una evidencia estadística fuerte, supone un paso clave para confirmar que el bosón de Higgs interactúa también con las partículas de segunda generación, aquellas menos masivas y más esquivas.
La importancia del resultado trasciende a su aparente modestia numérica. La teoría predice que solo dos de cada 10.000 bosones de Higgs se desintegran en muones. El propio artículo científico, publicado en Physical Review Letters, lo subraya: la probabilidad es del 2,17 × 10⁻⁴, una gota microscópica en un océano de procesos mucho más frecuentes. Observar ese minúsculo canal es como distinguir un susurro en medio del rugido continuo de colisiones de protones que ocurren cada milmillonésima de segundo.
Por qué importa este canal tan raro
La historia del bosón Higgs, desde su detección el 4 de julio de 2012 en el CERN, ha sido la de comprobar una a una sus interacciones: primero con las partículas más pesadas —los bosones W y Z, el cuarks top, el tau— y ahora con los muones, representantes de una generación de partículas más ligera.
A diferencia del resto de interacciones del Modelo Estándar, las del Higgs distinguen entre generaciones: cuanto mayor es la masa de una partícula, mayor es su llamado acoplamiento de Yukawa al bosón de Higgs. En física de partículas, el llamado acoplamiento de Yukawa describe la intensidad con la que cada partícula interactúa con el campo de Higgs, la interacción que determina su masa. Cuanto más fuerte es este acoplamiento, más pesada es la partícula; por eso los muones, mucho más ligeros que los cuarks o los leptones tau, tienen un acoplamiento más débil y resultan tan difíciles de estudiar.
Pero dicha relación, tan elegante en teoría, debía confirmarse experimentalmente más allá de las partículas pesadas.
Ahí reside la relevancia del canal H → μμ. Es una prueba directa de que el mismo mecanismo que da masa a los cuarks y los leptones pesados también actúa sobre los más ligeros. La evidencia presentada ahora por ATLAS «ofrece una sonda directa del acoplamiento Yukawa del Higgs a fermiones de segunda generación», destaca el artículo.
Una década de datos y una mejora técnica decisiva
Para lograr el nuevo resultado, los físicos del ATLAS recurrieron no solo a los datos del periodo de funcionamiento Run 3, con 165 fb⁻¹ (la unidad fb⁻¹ significa inverso de femtobarn y es la forma estándar en física de altas energías de expresar luminosidad integrada, es decir, cuántas colisiones útiles ha acumulado un experimento durante un periodo de funcionamiento) de colisiones registradas entre 2022 y 2024 a 13,6 TeV, sino a una combinación con los 140 fb⁻¹ del Run 2, tomados a 13 TeV.
Con esta enorme muestra acumulada, el experimento duplicó la estadística disponible respecto a su análisis anterior, pero además introdujo mejoras técnicas que resultaron cruciales para la investigación.
Entre ellas, destaca un algoritmo de ajuste del vértice de desintegración del Higgs, diseñado para mejorar la resolución del momento de los muones. El método, basado en una minimización por cuadrados que incorpora información detallada de las trayectorias y sus correlaciones, permite reconstruir el valor de la masa invariante del par muón–antimuón con una precisión aproximadamente un 2% superior.
Otro avance fue el uso de un muestrario gigantesco de simulaciones NLO del proceso Drell–Yan, el fondo dominante que imita la señal, con nada menos que cinco mil millones de eventos simulados. Este fondo, que consiste en la producción de un par leptónico vía un bosón Z virtual, es tan frecuente que cualquier pequeño desajuste en su modelado puede enmascarar completamente la señal buscada.
El análisis también incorporó nuevas categorías experimentales, entre ellas canales hadrónicos del proceso t̄tH, canales de producción asociada con bosones vectoriales y una recategorización basada en algoritmos de aprendizaje automático, incluidos árboles de decisión y redes neuronales entrenadas para aumentar la sensibilidad sin distorsionar la forma del espectro de masas.
Ilustración de un candidato a ser bosón de Higgs transformándose en dos fotones. Cortesía: CMS / CERN
Un susurro en el ruido: cómo se extrae la señal
La dificultad de este análisis radica en que la señal es extremadamente pequeña frente a los fondos. En la ventana crítica entre los 120 GeVy 130 GeV, donde se esperan el 85% de los eventos de Higgs → μμ, ATLAS prevé apenas unos mil eventos de señal en los datos de Run 3, frente a decenas de miles —o incluso cientos de miles— de eventos de fondo según la categoría.
Para aislarla, los físicos dividen los datos en veintitrés categorías exclusivas, cada una diseñada para explotar las características de distintos modos de producción del Higgs: fusión de gluones (ggF), fusión de bosones vectoriales (VBF), producción asociada con W o Z (VH) y con topes (t̄tH). Cada categoría tiene su propia pureza, su propio nivel de fondo y su propio modelo de ajuste.
La señal se modela mediante una función conocida como Crystal Ball doble, que combina una gaussiana central con colas asimétricas para capturar los efectos de resolución y radiación. El fondo, mucho más complejo, se ajusta mediante funciones analíticas escogidas cuidadosamente para evitar introducir señales espurias.
Incluso después de todas las mejoras, la búsqueda sigue estando dominada por las incertidumbres estadísticas, lo que anticipa que futuras tomas de datos jugarán un papel decisivo. Aun así, ATLAS logra observar un exceso claro sobre el fondo en el ajuste combinado.
Un resultado que consolida un patrón
Según el análisis, el parámetro que mide la fuerza de la señal observada respecto a la predicha por el Modelo Estándar —la llamada “μ”— alcanza un valor combinado de 1,4 ± 0,4, perfectamente compatible con la teoría. El ajuste independiente para Run 3 arroja μ = 1,6 ± 0,6, y para Run 2 μ = 1,2 ± 0,6, cifras que concuerdan entre sí dentro de sus márgenes de error.
La señal global alcanza la mencionada significancia de 3,4σ, por encima del criterio usual de evidencia (3σ) pero todavía por debajo del umbral de descubrimiento (5σ) que exige la física de partículas para reclamar una observación definitiva. Aun así, los investigadores subrayan que el resultado es robusto y representa la mejor evidencia disponible hasta la fecha para este canal.
En términos más físicos, el resultado implica una medida experimental de la fracción de Higgs que decae en muones: B(H → μμ) = (3,0 ± 0,9) × 10⁻⁴.
Dentro de los errores, coincide con el valor esperado.
Espectro de masas reconstruido a partir de todos los datos de Run 3. La gráfica muestra cómo los eventos medidos se distribuyen alrededor de la masa del bosón de Higgs y cómo se separa la posible señal del fondo que la oculta. En la parte inferior se ve la señal estimada una vez restado el fondo, con barras que indican la incertidumbre estadística de los datos. Cortesía: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/gzdh-p15
El retrato del Higgs se afina
El avance ocurre en un momento en el que la física del Higgs vive una nueva fase. Durante la primera década tras su hallazgo, el esfuerzo se centró en confirmar su existencia, medir su masa y observar sus interacciones más probables. Ahora la comunidad científica dirige la mirada a los procesos más raros, aquellos que pueden mostrar desviaciones sutiles respecto al Modelo Estándar, la teoría que describe todas las partículas conocidas y las fuerzas que actúan entre ellas, excepto la gravedad.
Detectar el acoplamiento del bosón de Higgs a los muones es una pieza indispensable de ese retrato fino. Cualquier desviación significativa, por pequeña que fuese, podría sugerir física más allá de la teoría vigente: partículas nuevas, simetrías desconocidas, o incluso pistas sobre la naturaleza de la materia oscura.
Por ahora, sin embargo, el bosón de Higgs sigue comportándose como un alumno modélico del Modelo Estándar. Pero la historia está lejos de terminar.
El futuro: hacia el descubrimiento pleno
El LHC continúa acumulando colisiones en Run 3 y se prepara para el High-Luminosity LHC, que a partir de la próxima década multiplicará por diez la muestra total de datos. Ese aumento estadístico será decisivo para transformar la evidencia actual en un descubrimiento incontrovertible.
Con los futuros datos, no solo debería confirmarse sin ambigüedad el canal H → μμ, sino abrirse la puerta a explorar otros incluso más raros, como el acoplamiento del Higgs a electrones, cuya probabilidad de desintegración es cien veces menor.
Mientras tanto, el resultado obtenido por ATLAS marca un nuevo hito en la física del bosón de Higgs: por primera vez, vemos cómo este campo universal de masas interactúa con partículas tan ligeras como los muones, completando un engranaje esencial del Modelo Estándar. Un susurro difícil de oír, pero con un significado profundo para comprender la estructura íntima del universo.
TAMBIÉN TE PUEDE INTERESAR:
Fuente: G. Aad, E. Aakvaag, B. Abbott, S. Abdelhameed, K. Abeling, N. J. Abicht, S. H. Abidi, M. Aboelela, A. Aboulhorma et al. (ATLAS Collaboration). Evidence for the Dimuon Decay of the Higgs Boson in 𝑝𝑝 Collisions with the ATLAS Detector. Physical Review Letters (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/gzdh-p159
