Gran descubrimiento en el Fermilab: Un pequeño paso para el Modelo Estándar, un gran paso hacia el bosón de Higgs

Dibujo20090601_Diboson_cross_section_at_Tevatron_Fermilab

Por primera vez se han observado desintegraciones hadrónicas en pares de bosones vectoriales WW/WZ/ZZ. Unas 1500 desintegraciones en el CDFII. De ellas 5 podrían ser del bosón de Higgs. Cuando se observen 45000 unas 40 podrían ser Higgs. Los americanos se podrían adelantar a los europeos. Esta señal es muy importante como prerrequisito en la búsqueda en el Tevatrón de un bosón de Higgs de baja masa (unas 130 veces la masa del protón), muy difícil de detectar porque casi siempre se desintegra en quarks b sobre un fondo de millones de millones de quarks b. Rara vez se desintegra en un par de bosones vectoriales. Nadie los había observado pero todo el mundo sabía que existían. El nuevo descubrimiento del Tevatrón insufla las posibilidades de que los americanos den la sorpresa y se lleven el Premio Nobel por el descubrimiento del bosón de Higgs. Nos lo cuenta magistralmente, como siempre, Tommaso Dorigo, “Hadronic Dibosons Seen. Next Stop: the Higgs!,” Scientificblogging.com, May 29th 2009 , y Tommaso Dorigo, “Another First Observation for CDF!,” Scientificblogging.com, May 29th 2009 . El artículo técnico es CDF Collaboration: T. Aaltonen, et al. “First Observation of Vector Boson Pairs in a Hadronic Final State at the Tevatron Collider,” ArXiv, Submitted on 28 May 2009 .

Había evidencia sobre las desintegraciones en dibosones, pero esta es la primera observación definitiva del fenómeno. El artículo, enviado para publicación a PRL, presenta la observación de 1516 +/-239(stat) +/-144(syst) dibosones (en un análisis burdo, este resultado difiere de cero por 1516/sqrt(239^2+144^4)= 5.4 desviaciones estándares, un cálculo más exacto nos da 5.3 desviaciones típicas). Lo más importante es que el resultado (para la sección eficaz del proceso) confirma con precisión el Modelo Estándar. El descubrimiento es importante como un primer paso para encontrar el Higgs por este hecho. Entre 1516 desintegraciones sólo unas pocas serían debidas al Higgs, pero cuando se tengan decenas de miles de desintegraciones, el efecto del Higgs será observable como una pequeña “joroba” en los datos observados respecto a los datos teóricos del Modelo Estándar. Dicha “joroba” será claramente detectada (si existe el Higgs y tiene una masa inferior a 135 GeV, claro está) cuando se tengan unas 45000 mil desintegraciones dibosónicas. La “joroba” corresponderá a unas 40 desintegraciones dibosónicas por encima del valor esperado por el Modelo Estándar. Esto será una señal suficiente para proclamar el descubrimiento del bosón de Higgs en el Tevatrón del Fermilab. Esto puede ser pronto, dentro de un año o así.

¡Esto se pone caliente! Más aún por el hecho de que el LHC del CERN si no es ciego sí es tuerto en la zona de masas del Higgs inferiores a 135 GeV. En su caso, al LHC le costará muchos años detectar el Higgs, pero el Tevatrón lo está rozando con la punta de los dedos. ¡Emocionante!

PARA SABER MÁS: El Meneo y subsiguiente portada de esta noticia me ha hecho ver que la mayoría de los que han meneado la noticia lo han hecho en honor a mezvan sin entender nada de la entradilla (el primer párrafo de esta entrada). Voy a tratar de aclarar algunas ideas. Por supuesto esto requiere un esfuerzo: cierto interés por la física de partículas elementales.

Los bosones W y Z fueron descubiertos experimentalmente en el CERN en 1983 (Premio Nobel para Carlo Rubbia). Originalmente los bosones W fueron predichos por Enrico Fermi en 1933 para explicar la desintegración (radioactividad tipo) beta. La radioactividad beta es el proceso por el cuál un neutrón aislado (fuera de un núcleo) se desintegra en pocos minutos en un protón, un electrón y un antineutrino. Hoy en día sabemos que uno de los quarks d (down o abajo) del neutrón (3 quarks, udd) se transforma en un quark u (up o arriba) transformando el neutrón en protón, emitiendo en el proceso un bosón W (de carga negativa) que se descompone rápidamente en un electrón y un antineutrino. La siguiente figura muestra el proceso (sacada de La Aventura de las Partículas, que ahora mismo recomiendo al que no se haya enterada de nada de lo que he dicho y quiera enterarse del resto).

Dibujo20090601_beta_decay_quark_process_by_w_boson

Hoy en día contamos con una teoría llamada electrodébil que explica el electromagnetismo (cuyos responsables son los fotones) y la fuerza nuclear débil (cuyos responsables son los bosones W y Z) de una forma unificada. Los bosones W y Z parecen idénticos al fotón salvo por pequeños detalles, tienen una masa en reposo muy grande (unas 160.000 veces la masa de un electrón, pero la masa del fotón parece exactamente nula) y los W tienen carga (el fotón y el Z son neutros). ¿Cómo es posible que haya partículas tan parecidas por un lado y tan diferentes por otro? Hoy en día lo entendemos bastante bien. A muy alta energía, el fotón y los bosones W y Z son partículas idénticas, todas sin masa y sin carga (como el agua de un vaso a temperatura ambiente). Conforme la energía baja se produce una transición de fase (como la congelación del agua en hielo) y una ruptura de la simetría (el agua parece igual por todos lados, sin embargo, el hielo es una cristal con estructura tetraédrica, la isotropía se ha roto) a una energía determinada (igual que el hielo congela a una temperatura determinada, 0º C). La ruptura de la simetría se entiende hoy en día como que 3 de los 4 bosones idénticos a alta energía se tragan 3 bosones escalares de Higgs convirtiéndose en los bosones W+, W- y Z. El cuarto bosón no se traga ningún Higgs y se queda como está. Por eso vemos a baja energía a los fotones y por eso creemos que algún día también se verá en los aceleradores de partículas al bosón de Higgs (los que han quedado sin que nadie se los trague). Entiendan los expertos que trato de hablar en el lenguaje más simple posible.

Los bosones W y Z tienen una masa de 80.4 GeV/c^2 y 91.2 GeV/c^2, respectivamente (unas 86 y 97 veces la masa de un protón o núcleo del átomo de hidrógeno). Por comparación, estos bosones son más masivos que los núcleos de un átomo de hierro. Por más comparación, la partícula más masiva conocida es el quark t (top) que tiene una masa de 172.8 GeV/c^2 y el quark b (bottom) solo tiene unos 4.5 GeV/c^2. En física de partículas elementales la masa en reposo de un partícula no es un valor único y bien definido. La masa en reposo depende de la energía y presenta una curva en forma de pico (llamada técnicamente resonancia) con una pequeña anchura. ¿Qué significa esto? Significa que los valores que he dado para las masas son los valores más probables (donde se encuentra el pico de la resonancia) para la masa que cada partícula presenta cuando la observemos puede tener un valor un poco más pequeño o un poco más grande. Bueno, también puede tener una masa mucho más pequeña o mucho más grande pero es muy poco probable encontrar una partícula con dichas masas. Técnicamente la descripción de la depedencia con la energía de la masa en reposo sigue una función de Breit-Wigner (distribución de probabilidad de Cauchy-Lorentz para los matemáticos).

Imagina que el bosón de Higgs es una partícula inestable (con una corta vida) que se desintegra en otras partículas. Supongamos que tiene una masa menor de 135 GeV/c^2. No puede desintegrarse en una pareja de quarks t pero sí en una pareja de quarks b (la manera más probable en la que puede desintegrarse). Sin embargo, a las energías que se estudian en el Tevatrón, donde colisionan un protón y un antiprotón, o las energías que se estudiarán en el LHC, donde se colisionarán dos protones entre sí, el número de quarks b que se observan en una colisión es enorme (miles de millones). Encontrar la señal de una desintegración de un Higgs en un par de quarks b es muy difícil (como encontrar una aguja en un pajar de miles de millones de pajas).

El bosón de Higgs también se puede desintegrar de otras maneras, por ejemplo, en un par de bosones WW o ZZ. La suma de sus masas es mayor que la del Higgs que estamos considerando (80+80 > 135) por lo que este suceso es muy raro. Extremadamente raro. Pero su probabilidad no es cero y se puede medir. Según el Modelo Estándar, aproximadadamente, una de cada 300 desintegraciones de este tipo debería ser debida a un bosón de Higgs. Para encontrar el Higgs es necesario encontrar muchas desintegraciones de tipo dibosón (WW, WZ o ZZ). Hasta el momento se habían encontrado muy pocas. El nuevo análisis de los resultados del detector CDF ha encontrado un fondo de unas 1500 desintegraciones de este tipo. Es algo raro y en lo raro es más fácil encontrar lo muy raro.

Entendemos tan bien la física del Modelo Estándar que ha resultado que la observación de estas desintegraciones dibosónicas en el CDF se ajusta perfectamente a la teoría (sin tener en cuenta el bosón de Higgs). Esto es muy importante. Porque conociendo bien la teoría podremos estudiar si hay pequeñas desviaciones respecto a la teoría y en dichas pequeñas desviaciones se encontrará trazas de la existencia del bosón de Higgs. En 1516 desintegraciones sólo 4 o 5 podrían ser debidas al Higgs son muy pocas para poder separarlas del resto. Pero con el nuevo tipo de análisis de los datos del CDF-II se podrán estudiar decenas de miles de desintegraciones (se espera tener unas 45000 en un año) y en ellas el número de desintegraciones anómalas (un exceso no esperado según el Modelo Estándar sin bosón de Higgs) constituirían una señal inequívoca de que el bosón de Higgs existe (se observará un pico alrededor de cierta energía que corresponderá a la masa en reposo del Higgs).

En conclusión, el nuevo resultado es importante por dos cosas. La primera porque confirma el Modelo Estándar y la segunda porque abre un nuevo camino para encontrar el bosón de Higgs en el Tevatrón del Fermilab. Un camino que puede requerir un año (poco más). Un camino que observará al bosón de Higgs si existe y tiene una masa inferior a unos 135 veces la masa del protón. Si el bosón de Higgs tiene una masa superior, será muy fácil verlo en el LHC del CERN.

No sé si esto aclara algo… hay muchas entradas sobre el bosón de Higgs en este blog. Te animo a buscarlas.

4 Comentarios

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emulenewsemulenews

EME es curioso lo que pasa con los títulos.

El título original “That goddamn particle?” no hubiera provocado ningún impacto en la mente “calenturienta” del público. Sin embargo, el marketing del editor del libro, con la excusa de mejorar las ventas, lo cambió por “The god particle” y Lederman se convirtió de la noche a la mañana en un autor de un bestseller.

Y muchos no saben como llamar a este bosón escalar (todavía no se ha descubierto ninguno) si partícula de Higgs (nombre que le puso Nambu, creo), si partícula de Englert-Brout-Higgs (nombre históricamente más correcto) o si partícula de Dios (aportación a la nomenclatura científica de un editor que sólo buscaba vender más libros y que no gusta a los físicos).

MiGUi

Siempre he odiado el nombre de “partícula divina” o “partícula de Dios” para el puñetero Bosón de Higgs. La verdad, no puedo entender el valor mediático que tiene para que lo enmerden de esa manera. Lo que sé es que el 100% de los que lo llaman así, no han estudiado Física de partículas ni nada que se le parezca. Que lo dejen en paz al pobre, yo si fuera él no aparecería na más que para que no me llamaran “partícula divina”.

En fin… Dejando el absurdo nombre de lado. Era algo que se tenía que observar tarde o temprano. Lo que está por ver es que en algúna colisión protón-antiprotón aparezca un Higgs por medio y que seamos capaces de verlo y saber que es lo que estamos buscando.

Y bueno, una cosa es que encontremos una partícula cuyas propiedades se parezcan a las teóricas que debe tener el Higgs (y cualquiera que haya investigado un poco sabe que hay bastante margen al respecto) y otra muy distinta es que sea el bosón encargado de mediar el campo de masa.

El paso es 1) ver que existe, 2) ver que sirve para lo que se supone que sirve.

NicoGranelliNicoGranelli

Gracias por el artículo. No he estudiado física en mi vida, y por lo tanto me cuesta bastante entender, pero como buen programador me oriento por las cuestiones de lógica que dan al explicar.

O sea, no entiendo nada de las particularidades del caso, pero esto de que una partícula se desintegra en otra u otras, se hace extremadamente atractivo para mi mente lógica y sistémica :)

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