Buscando el bosón de Higgs como a una aguja en un pajar

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Tommaso Dorigo se nos muda. Tras 40 meses en WordPress.com en “A Quantum Diaries Survivor” se muda a Scientific Blogging. Su primera entrada en el nuevo blog “A Fascinating New Higgs Boson Search By The DZERO Experiment,” merece una entrada. Sus lectores le seguiremos. Como él mismo afirma “if you love me, please follow me there now.”

Los físicos del detector DZERO del Tevatrón en el Fermilab buscan el bosón de Higgs en colisiones de protones contra antiprotones que producen un par de quarks top-antitop y un bosón de Higgs, desintegrándose este último en un par de quarks bottom-antibottom. Se han encontrado 5 eventos candidatos. Son pocos y su interpretración no es fácil. El artículo técnico que nos comenta Tommaso es “Search for the Standard Model Higgs boson in the ttH->ttbb channel,” The DZERO Collaboration, Preprint, March 14, 2009 .

La Física de Partículas Elementales es la física de la “aguja en el pajar” (cuando no sabes si la aguja realmente está en el pajar o si hay más de una). Lo ideal, caracterizar cada una de las “pajitas” del pajar. El problema, es imposible. Hay que estimar la distribución promedio de las “pajitas” y usarla para encontrar la aguja. Los físicos de partículas le llaman al “pajar” con el nombre background, el fondo de partículas que creemos conocer, y a la “aguja” como señal, de la existencia de una nueva partícula. La labor de los físicos de partículas consiste en proponer un proceso y utilizarlo para descartar muchas “pajitas,” quedándose sólo con las candidatas a “aguja.”

Los protones y antiprotones que colisionan en el Tevatrón alcanzan una velocidad superior el 99.9% de la velocidad de la luz. La mayoría de las colisiones son elásticas. Prácticamente no pasa nada. Sólo excepcionalmente los quarks o gluones del protón colisionan con quarks o gluones del antiprotón y se produce una colisión inelástica que conduce a la generación de varios chorros de partículas. La energía en el centro de masa durante las colisiones protón-antiprotón es de hasta 1.96 TeV, pero eso no significa que la suma de las energías de los chorros de partículas alcancen estos valores. La colisión más energética reportada por los experimentos CDF y DZERO ha alcanzado sólo 1 TeV. La mayoría de las colisiones observadas tienen una energía muy inferior.

Un quark top tiene una masa de 173 GeV y si el bosón de Higgs tuviera una masa de 120 GeV, una colisión que produjera un par de quarks top-antitop y un Higgs requeriría unos 470 GeV. ¿Cuántas colisiones inelásticas protón-antiprotón a 1.76 TeV alcanzan al menos esta masa? Aproximadamente, sólo una de cada millón de colisiones. Además, no todas las colisiones de más de 470 GeV producen un quark top (t), un antitop (t) y un Higgs (H). Según los modelos teóricos una desintegración ttH ocurre una vez cada 10 billones de colisiones (billón=millón de millones). Desde 2002 en el CDF y en el DZERO se han producido unos 400 billones de colisiones. Podrían haberse producido unos 40 procesos ttH.

Obviamente, los físicos no estudian estos 400 billones de colisiones uno a uno. Se utilizan técnicas de filtrado automático que seleccionan entre todas las colisiones las que son prometedoras. Solamente hay que estudiar en detalle unos cientos de colisiones. En el caso de la desintegración ttH hay que buscar una entre unas 626 colisiones candidatas. No es tanto. En palabras de Tommaso “That is not a needle in the haystack anymore! Kudos to DZERO for their clever selection then!” (recuerda, “kudos” significa “felicidades”).

Los puntos negros de la figura de abajo muestran los 5 eventos encontrados de desintegraciones ttbb (posiblemente resultado de desintegraciones previas ttH). La curva roja es la esperada teóricamente según el Modelo Estándar. La curva negra continua es la distribución esperada si este tipo de procesos fueran 100 veces más frecuentes de lo que el Modelo Estándar prevee. Como vemos los puntos negros parecen seguir la curva negra. ¿Por qué? No se sabe todavía. El acomplamiento entre el bosón de Higgs y el quark top parece ser diferente a lo que se esperaría según el Modelo Estándar, sería “anómalo.” El bosón de Higgs en la “punta de los dedos” de los investigadores. Pero todavía no pueden sonar las campanas de victoria. Como nos recuerda Tommaso “Higgs bosons have been hypothesized more than forty years ago, and we still have to see one of them…”

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