Ser o no ser: Los impostores del bosón de Higgs en el LHC del CERN

Si el bosón de Higgs no existe, podría existir un impostor que ocupara su lugar. Si el bosón de Higgs existe y es encontrado, ¿qué Higgs hemos encontrado? Los impostores del bosón de Higgs son partículas escalares neutras, del mismo tipo que el bosón de Higgs, que parcialmente resuelven los problemas del modelo estándar que él resuelve, normalmente aumentando la escala de energía a la que dichos problemas aparecen. Actúan escondiendo debajo de la alfombra los problemas de consistencia interna del modelo estándar. El impostor más conocido es el Higgs compuesto (composite Higgs), el modelo en el que el Higgs no es una partícula elemental sino que está compuesta de un par de fermiones (a modo del pión que está compuesto de un par quark-antiquark). Lo más curioso de los impostores es que ellos mismos también se esconden debajo de la alfombra ya que la probabilidad de su observación es mucho más pequeña que la del Higgs y se requieren energías más altas para producirlos y acumular muchas más colisiones. Alex Pomarol, de la Universidad Autónoma de Barcelona, nos resume magistralmente todo lo que se sabe sobre los Higgs imposteres en su charla (en vídeo) “Higgs and alternative theories,” en el Physics at the LHC 2010, 08 June 2010 [slides pdf]. Para los interesados en detalles más técnicos recomiendo el breve artículo de Álvaro de Rújula, “To be or not to be: Higgs impostors at the LHC,” ArXiv, 17 May 2010, cuyo título he parafraseado, y los más extensos de Roberto Contino, Christophe Grojean, Mauro Moretti, Fulvio Piccinini, Riccardo Rattazzi, “Strong Double Higgs Production at the LHC,” ArXiv 24 May 2010, y G. F. Giudice, C. Grojean, A. Pomarol, R. Rattazzi, “The Strongly-Interacting Light Higgs,” ArXiv, 19 Jun 2007.

El modelo estándar de la física de partículas elementales es una teoría renormalizable lo que significa que es una teoría efectiva que nos permite calcular con gran precisión (hasta 12 órdenes de magnitud) lo que ocurre en las interacciones entre partículas siempre y cuando la energía (y momento) involucrado sea menor que cierta energía de corte (cut-off Λ). A partir de dicha energía aparecen términos no renormalizables que conducen a valores infinitos sin sentido físico. Esta energía de corte se interpreta como la necesidad de nueva física más allá del modelo estándar a partir de dicha energía. Como máximo dicha energía corresponde a la energía de Planck en la que los efectos de la gravedad son del mismo orden de magnitud que el resto de las fuerzas fundamentales, ya que la gravedad (cuántica) no está incluida en el modelo estándar.

Pero el modelo estándar no está libre de problemas, más bien al contrario, está repleto de problemas para los que no hay una única solución sino muchas propuestas alternativas, a cada cual más exótica. Cada propuesta conlleva una serie de predicciones que aún no han sido verificadas o descartadas experimentalmente. Sobre todo teniendo en cuenta que estas propuestas incluyen parámetros libres que se pueden ajustar a las observaciones experimentales. Conforme exploramos energías más altas sin observar estas predicciones, los parámetros se ajustan para dejar la puerta abierta en escalas de energía aún más altas.

El mayor problema del modelo estándar en la actualidad es la masa de los bosones vectoriales W y Z, las partículas portadoras de la fuerza electrodébil, junto al fotón. El fotón es una partícula vectorial transversal, el campo electromagnético vibra en un plano perpendicular a la dirección de movimiento. Los bosones W y Z tienen masa lo que significa que su campo, además de dos componentes transversales, también tiene una tercera componente longitudinal (WL,ZL). Estas componentes longitudinales introducen términos no renormalizables en la teoría, es decir, contribuciones que crecen conforme la energía crece hasta volverse infinito. Técnicamente, los términos matemáticos que describen la masa de estos bosones intermedios violan la simetría SU(2)xU(1) y destruyen la unitariedad de la teoría a alta energía.

Para resolver el problema de la masa de los bosones W y Z en el modelo estándar se han propuesto diferentes mecanismos. El más sencillo y el primero en ser propuesto es el mecanismo de Hagen-Englert-Guralnik-Higgs-Brout-Kibble, normalmente abreviado como mecanismo de Higgs, para explicar la ruptura de la simetría electrodébil. Dicho mecanismo predice la existencia de una nueva partícula, aún por descubrir, llamada partícula de Higgs (un bosón escalar neutro en el modelo estándar mínimo). Esta partícula es un bosón de espín cero neutro que se acopla a los bosones W y Z de una forma muy particular, exactamente la forma necesaria para lograr resolver los problemas de alta energía del modelo estándar debidos a que estos bosones tienen masa. Cualquier otro bosón escalar neutro que se acople a dichos bosones W y Z pero que lo haga de forma ligeramente distinta será un impostor del Higgs, pero no será el Higgs. La figura de la izquierda muestra exactamente cómo debe acoplarse el bosón de Higgs. Un Higgs impostor se acopla de forma muy parecida pero no igual, como muestran las fórmulas de la derecha, introduciendo términos que están multiplicados por un números que para el Higgs verdadero valen exactamente la unidad. Como muestra la figura de abajo, los tests de precisión de los parámetros de la teoría electrodébil prefieren un Higgs de baja masa y prefieren un Higgs convencional. Un Higgs impostor debe tener 0’86 < a ≤1 y estar compuesto por un par de fermiones de más de 500 GeV. Para el LHC, si no existe el Higgs convencional, será muy difícil encontrar un Higgs impostor con estas características.

La charla de Alex Pomarol no ha sido la única en DESY sobre el bosón de Higgs. Sobre el Higgs compuesto también nos ha hablado Margarete Muehlleitner (ITP Karlsruhe), “Higgs and electroweak symmetry breaking,” Physics at the LHC 2010, 08 June 2010, quien nos recuerda que encontrar el bosón de Higgs responde una pregunta, ¿existe?, pero deja abiertas muchas otras, ¿qué bosón de Higgs se ha encontrado, el verdadero o un impostor? La figura que abre esta entrada es la última de su charla.

Gordon Watts, “Higgs at the Tevatron,” Physics at the LHC 2010, 08 June 2010 [slides ppt], nos resumió todas las búsquedas directas del bosón de Higgs que se han llevado a cabo en el Tevatrón, aún sin éxito. La charla aporta pocas nuevas pero es muy interesante ver cómo el tesón de los físicos experimentales les lleva a estudiar desintegraciones de muy baja probabilidad, para los que sólo pueden esperar sucesos contados con los dedos de una mano. Aún con los problemas de Gordon con su fichero pptx, la charla es bastante digerible y si quieres practicar inglés te gustará.

Alberto Graziano (University & INFN Torino), “Prospects for Higgs searches in CMS with 1fb^-1 at 7 TeV and validation of analysis strategy with current data,” Physics at the LHC 2010, 08 June 2010, nos ha hablado sobre las posibilidades de encontrar el Higgs en el LHC de aquí a diciembre de 2011: todo apunta a que prácticamente ninguna, salvo que haya muchísima suerte (tenga una masa entre 160 < mH < 170 GeV y no lo hayan descubierto antes en el Tevatrón). Aún así, se espera que se excluya su no existencia en el rango de masas de 140 < mH < 200 GeV, comparable al que obtendrá el Tevatrón para las mismas fechas. En la misma línea Sven Heinemeyer (IFCA, CSIC, Santander), “Higgs measurements in and beyond the Standard Model at the LHC in the forward proton mode,” Physics at the LHC 2010, 08 June 2010, nos resume las esperanzas de encontrar el Higgs en los casos de que haya una cuarta generación de quarks o de que la supersimetría sea una simetría de la naturaleza. Para el LHC lo mejor es el primer caso, ya que le permitiría excluir (para diciembre de 2011) un bosón de Higgs fuera del rango de masas de 112 < mH < 130 GeV, lo que no está nada mal. Radovan Dermisek, “Hidden Higgs,” Physics at the LHC 2010, 08 June 2010, se centra en los bosones de Higgs supersimétricos tanto en el modelo mínimo MSSM como en el siguiente al mínimo NMSSM (recientemente John Ellis ha reabierto el interés en este modelo). Según Dermisek muchos datos experimentales apuntan a este último modelo y caso de ser la respuesta correcta para diciembre de 2011 lo sabremos con certeza. La charla de Dermisek es bonita y seguramente os gustará, sobre todo el principio. Andreas Weiler, “Naturally non-standard Higgs boson decays,” Physics at the LHC 2010, 08 June 2010, repasa los modelos más conocidos de impostores del Higgs y nos recuerda que si el bosón de Higgs se desintegra en partículas diferentes a las que pensamos es posible que esté escondido en los datos del LEP II y del Tevatrón (CDF y DZero). Tanto Graziano como Heinemeyer, Dermisek y Wieler aportan poco a lo que ya hemos comentado en este blog en entradas pasadas sobre el Higgs (tema estrella en este blog). Aún así merece la pena recordar que …

“Como los borrachos, quizás estemos buscando al Higgs (la llave) justo debajo de la farola, porque allí es donde hay luz.”


1 Comentario

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dodhydodhy

Lei con atención y me parecio un resumen bastante bien elaborado, congratulaciones al respecto.
Soy físico y me fui más hacia el cambio climático, pero en un físico siempre hay lugar para la física de partículas y cuanto más si se trata de conocimiento. Estimado Francis, de lo que recuerdo del Boson de Higgs se comentaba que es la partícula de Dios, ya que con ello se “sabria” los momentos mismos de la creación de las partículas tal como hoy lo sabemos, sin embargo, con vuestro resumen me quedo corto y veo que me quede en lo básico de las partículas, te agradezco si pudieras ampliar más el tema, en vista de la multimillonaria inversión y la presunta creación de un miniagujero, que hay al respecto????
Cordiales saludos
Jeshua

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