El bosón de Higgs, descubierto en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), es una pieza clave del Modelo Estándar de la física de partículas. Su existencia explica cómo las partículas fundamentales adquieren masa, pero aún queda por entender cómo se relaciona con los quarks más ligeros, como el quark charm, una cuestión que intriga desde hace años a la comunidad científica.
Una nueva búsqueda, un viejo enigma
Hasta ahora, los científicos habían confirmado la interacción del bosón de Higgs con los quarks más pesados —top y bottom—, pero detectar su vínculo con los quarks de segunda generación, como el charm, seguía siendo una tarea extremadamente compleja. Esta semana, el experimento CMS del CERN ha dado un gran paso: ha presentado los resultados de la primera búsqueda del Higgs desintegrándose en un par de quarks charm en eventos donde el Higgs se produce junto a dos quarks top.
Este proceso es raro y difícil de distinguir de los muchos eventos de fondo similares que se producen en las colisiones de protones a alta energía del LHC. El desafío técnico radica en identificar correctamente los jets de hadrones que los quarks generan antes de desintegrarse, en particular los originados por quarks charm, ya que son menos distintivos que los de otros quarks.
IA al rescate
Ante la dificultad del análisis, los investigadores adoptaron un enfoque radicalmente nuevo. “Este estudio requirió un cambio de paradigma en las técnicas de análisis”, explicó Sebastian Wuchterl, investigador del CERN. “Como los quarks charm son más difíciles de etiquetar que los bottom, recurrimos a técnicas punteras de aprendizaje automático para separar la señal del ruido de fondo”.
Los físicos del CMS emplearon dos modelos de inteligencia artificial de vanguardia. El primero, una red neuronal de grafos, se encargó de identificar los jets charm. El segundo, una red tipo transformer —la misma arquitectura detrás de modelos como ChatGPT— fue entrenada para clasificar eventos y discriminar entre señales del Higgs y procesos de fondo.
Para entrenar estos modelos, se utilizaron cientos de millones de jets simulados, permitiendo una mejora considerable en la identificación de los quarks charm. Este enfoque supuso una revolución en la forma de estudiar las desintegraciones del Higgs.
Resultados y futuro
Utilizando los datos recopilados entre 2016 y 2018, combinados con análisis previos, el CMS ha logrado establecer los límites más restrictivos hasta la fecha sobre la interacción entre el bosón de Higgs y el quark charm, con una mejora del 35% respecto a estudios anteriores. Esto implica una importante restricción a posibles desviaciones de las predicciones del Modelo Estándar.
“Nuestros hallazgos suponen un gran paso”, señaló Jan van der Linden, investigador de la Universidad de Gante. “Con más datos y técnicas aún más refinadas, podríamos obtener una visión directa de esta interacción, algo que hace pocos años parecía imposible”.
A medida que el LHC continúe operando y recoja nuevos datos en los próximos años, se espera que CMS y su experimento hermano ATLAS logren confirmar de forma concluyente la desintegración del Higgs en quarks charm. Este descubrimiento sería fundamental para entender completamente cómo la materia adquiere masa y ofrecería una prueba decisiva del Modelo Estándar, que cumple ya más de cinco décadas como la teoría dominante en la física de partículas.
