Nuevos límites de exclusión para la masa del bosón de Higgs en el LHC con hasta 2,3 /fb de colisiones

Por Francisco R. Villatoro, el 22 agosto, 2011. Categoría(s): Bosón de Higgs • Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticias • Physics • Science ✎ 22

Hoy, en la conferencia Lepton Photon 2011 en Mumbai, India, se han presentado los nuevos límites de exclusión para la masa del bosón de Higgs obtenidos por los dos grandes experimentos del LHC en el CERN, ATLAS y CMS, que en algunos canales de búsqueda alcanzan la friolera de 2,3 inversos de femtobarn de datos (en concreto, el canal H→ZZ→4l en ATLAS). El nuevo límite de exclusión indica que el bosón de Higgs tiene una masa entre 115 y 145 GeV/c². ATLAS no excluye los intervalos de masa entre 232 y 256 GeV/c², entre 282 y 296 GeV/c², y por encima de 466 GeV/c². CMS no excluye los intervalos de masa entre 216 y 226 GeV/c², entre 288 y 310 GeV/c², y por encima de 400 GeV/c². Los rumores que apuntaban a que el bosón de Higgs tenía una masa alrededor de 144 GeV/c² (o en el intervalo entre 135 y 145 GeV/c²) obtenidos combinando de forma no oficial los datos de ATLAS y CMS publicados en julio no han sido confirmados. Por un lado, la combinación oficial de los datos de ATLAS y CMS no se ha publicado (parece ser no estará lista hasta dentro de un par de semanas). Por otro lado, las señales de un Higgs con dicha masa en las combinaciones de ATLAS y CMS por separado, con casi el doble de datos en muchos canales, son menos claras que hace un mes; no han desaparecido, pero son menos claras, lo que podría ser indicativo de que se trata de simples fluctuaciones estadísticas. Estas nuevas figuras muestran el buen estado de la búsqueda del Higgs en el LHC y de sus dos colaboraciones principales, ATLAS y CMS. ¿Por qué no se ha publicado el resultado combinado ATLAS+CMS con datos de julio? Según Philip Gibbs, se esperaba que dicho resultado mostrara un exceso claro para un Higgs con una masa de 144 GeV, pero desde el CERN podrían haber preferido no mostrar este resultado combinado para evitar que muchos medios hagan apuestas prematuras sobre un Higgs con dicha masa. Quizás tenga razón. Lo que está claro es que la combinación no oficial es suya y que pronto publicará otras nuevas con los nuevos datos.

En relación con las figuras de ATLAS, puedes encontrar más información en «ATLAS advances in the search for the Higgs and New Physics,» ATLAS Experiment, 22 August 2011 y en el artículo técnico The ATLAS collaboration «Update of the Combination of Higgs Boson Searches in 1.0 to 2.3 /fb of pp Collisions Data Taken at √s = 7 TeV with the ATLAS Experiment at the LHC,» ATLAS-CONF-2011-135, August 21, 2011; las transparencias de la charla de Aleandro Nisati (INFN – CERN) «Higgs Searches at ATLAS,»  ya están disponibles en la web [Slides in PDF]. Y en relación con las figuras de CMS, puedes encontrar más información en CMS News, «New CMS Higgs Search Results for the Lepton Photon 2011 Conference,» August 22nd 2011, y en las transparencias de la charla de Vivek Sharma (Universidad de California, San Diego), «Higgs Searches at CMS,» Lepton Photon 2011, Mumbai, 22 august, 2011 [Slides in PPTX y Slides in PDF].

Una breve explicación para los más despistados. El bosón de Higgs es una partícula predicha por la teoría del modelo estándar de las partículas elementales. En concreto, la unificación electrodébil de las interacciones electromagnética y débil utiliza el llamado mecanismo de Higgs para explicar por qué a baja energía se observan dos interacciones separadas pero a alta energía están unificadas en una sola. El mecanismo de Higgs explica por qué los bosones débiles W y Z tienen una masa enorme (unas 90 veces la masa del protón) mientras que el fotón tiene masa en reposo nula. Como el fotón tiene masa nula, aparece una partícula neutra de espín cero (partícula escalar), el bosón de Higgs, que interacciona (de forma no lineal) consigo mismo y se dota a sí mismo de masa; esta partícula se llama bosón de Higgs porque, aunque el me. Hay una gran evidencia experimental (pruebas irrefutables) de la unificación electrodébil por lo que nadie duda de ella. Como la simetría electrodébil a baja energía está rota (electromagnetismo e interacción débil están separadas), pocos tenemos dudas de que el bosón de Higgs existe y será encontrado en el LHC del CERN.

El mecanismo de Higgs además de dotar de masa a los bosones débiles W y Z, también permite dotar de masa al resto de las partículas del modelo estándar (fermiones y quarks). Las partículas con masa interaccionan con el bosón de Higgs y adquieren masa (en lenguaje llano, una partícula «se come» un Higgs y adquiere masa). Si la constante de interacción entre una partícula y el bosón de Higgs es λ, entonces la partícula adquiere una masa M=v λ/√2, donde ves la energía a la que se produce la ruptura de la simetría electrodébil, que se estima en unos 246 GeV. Nadie sabe el porqué pero para el quark top esta fórmula da una predicción muy buena de su masa si se utiliza λ=1 (los límites experimentales indican que λ=1,0±0,1). Por alguna razón la constante de acoplamiento entre el Higgs y el quark top es igual a la unidad.

El modelo estándar no predice la masa del bosón de Higgs porque esta masa depende de cómo interaccione el bosón de Higgs consigo mismo (en lenguaje llano, un Higgs «se come» a otro Higgs para adquirir masa). Aunque no predice su masa, fijado un valor concreto para dicha masa, el modelo estándar predice todas las demás propiedades del bosón de Higgs con gran precisión (por ejemplo, la probabilidad de su producción y/o desintegración en cualquier modo (canal) posible). Gracias a ello sabemos que encontrar el bosón de Higgs es muy difícil (la probabilidad de producirlo en el Tevatrón o el LHC es muy baja y se requiere acumular muchísimas, billones, de colisiones). Más aún cuando el acelerador de partículas LEP2 del CERN, en el que colisionaban electrones y positrones hasta septiembre de 2001, demostró que el bosón de Higgs tiene una masa en reposo mayor de 114,4 GeV/c². Una masa enorme que ha hecho casi imposible pensar en buscar el Higgs en el Tevatrón del Fermilab (cerca de Chicago) hasta llegado el año 2008. Desde entonces la búsqueda del Higgs se ha convertido en uno de los temas estrella de la física de partículas elementales.

La búsqueda de una partícula elemental predicha por el modelo estándar es mucho más fácil que la búsqueda de una partícula predicha por otros modelos de física más allá del modelo estándar porque sus propiedades se pueden calcular con precisión (no es fácil hacerlo pero hay muchos físicos que saben como hacerlo y lo están haciendo). Para cada posible valor de la masa del bosón de Higgs, el modelo estándar predice que es lo que se observará en las colisiones protón-antiprotón del Tevatrón o en las colisiones protón-protón del LHC, suponiendo que el bosón de Higgs existe y tiene dicha masa, y suponiendo que el bosón de Higgs no existe. Comparando ambas predicciones podemos excluir la existencia de un bosón de Higgs con cierta masa. Este proceso requiere un análisis estadístico y los resultados se obtienen con cierto nivel de confianza estadística, normalmente se usa el 95% (CL), lo que significa que hay menos de una posibilidad entre veinte de que el bosón de Higgs tenga cierto valor de la masa. El análisis estadístico requiere combinar las predicciones teóricas para varios canales de desintegración con los resultados observados en los experimentos. En el Tevatrón se está buscando el Higgs en casi 20 canales o modos de desintegración, pero en ATLAS solo se están utilizando 9 canales.

Mi aclaración sobre las figuras que abren esta entrada no era muy rigurosa así que he editado los comentarios (gracias a Alberto Ruiz que en los comentarios ha destacado mis errores). Estas dos figuras obtenidas por CMS son similares a las gráficas que abren esta entrada, pero se centran en dos canales de búsqueda del Higgs concretos, la desintegración en dos fotones (ideal para estudiar un Higgs de baja masa, pero que todavía no es capaz de excluir al bosón de Higgs en ningún rango de masas) y la desintegración en dos bosones W (ideal para estudiar un Higgs de mayor masa, que es capaz de excluir al Higgs). [Entre comillas indico las palabras de Alberto]. Estas «gráficas muestran el limite al 95% de C.L. del cociente entre la sección eficaz observada (línea continua) o esperada (línea discontinua) y la que se obtiene de la teoría» (la línea horizontal roja). «Se muestran esos límites como función de la masa del bosón de Higgs. En el caso de la esperada (el numerador de ese cociente) se refiere a la hipótesis nula, es decir, sin bosón de Higgs.» «La diferencia entre línea continua y discontinua es que la continua se basa en la observación real, los datos que se tienen, mientras que la discontinua se basa en lo que uno esperaría dadas las características del detector y del método. Esta última la que se suele estudiar primero, para conocer la sensibilidad del experimento. La continua se obtiene después, es decir se analiza un examen “ciego” antes de ver lo que proporcionan los datos, a fin de no estar sesgado el método.»

“Si el valor de la línea continua está por debajo de la unidad quiere decir que el Higgs, con esa masa, está excluido al 95%, o, dicho de otro modo, que la probabilidad de existencia del bosón de Higgs a esa masa es menor del 5%.» Cuanto más baja esté la línea, con mayor probabilidad quedará excluido el Higgs. «Como la línea discontinua se ha realizado con la hipótesis nula, cuando pasa por debajo de la unidad nos indica que el método utilizado es sensible (al 95% de CL) a la observación de la existencia del bosón de Higgs.» Por ejemplo, los datos de CMS y ATLAS son sensibles al rango de masas mayor de 130 GeV (hasta por encima de 440 GeV), sin embargo los datos experimentales solo permiten excluir al Higgs en el rango de masas mayor de 145 GeV (hasta un poco por encima de 215 GeV).

Cuando la línea discontinua está por encima de la unidad para cierta masa significa que aún no se han acumulado suficientes colisiones para observar o descartar el Higgs con dicha masa. Por ejemplo, en la figura de arriba que muestra el canal de desintegración H→γγ en el que CMS ha analizado 1,66 /fb de colisiones, aún no se han acumulado suficientes colisiones; dicha desintegración del Higgs es muy poco probable y muy difícil de observar. En la otra figura de arriba, la que muestra el canal de desintegración H→WW en el que CMS ha analizado 1,55 /fb de colisiones, se han acumulado suficientes exclusionese para excluir el Higgs en el intervalo entre 136 y 200 GeV, sin embargo los datos experimentales solo lo excluyen en el intervalo entre 147 y 194 GeV.

Tanto el resultado esperado como el resultado observado tienen cierta incertidumbre. Por costumbre se acompaña la figura de exclusión de masa del Higgs con una bonita banda brasileña (con los colores de la bandera brasileña). La banda verde corresponden a una incertidumbre estadística de una desviación típica y la línea amarilla a dos desviaciones típicas (en física de partículas un descubrimiento requiere cinco desviaciones típicas). Si la línea continua se separa mucho de la línea discontinua indica que hay una fluctuación estadística respecto a la hipótesis nula o que se esconde algo interesante respecto al bosón de Higgs para dichos valores de la masa. Por ejemplo, para la región alrededor de 144 GeV la línea continua está por encima de la unidad y es mayor de dos desviaciones típicas respecto a la línea discontinua. Una fluctuación de dos sigma, incluso de tres sigma, suele ser una fluctuación estadística (salvo en los casos excepcionales en los que es la primera señal de un descubrimiento). Un bosón de Higgs con una masa e unos 144 GeV implicaría que la línea continua baje por debajo de la unidad en la región de masas por debajo de 140 GeV, algo que no se observa en las figuas que abren esta entrada (aunque el número de colisiones acumulado por CMS sería sensible a ello por encima de 130 GeV).

Finalmente, «cuando se descubra el Higgs lo más lógico es que en torno a su valor de masa, la línea continua se mantenga por encima del valor de 1, mientras que la discontinua estará por debajo» (cuanto más abajo más clara será la señal que apunta al descubrimiento del Higgs). El rumor de este verano sobre la posible existencia de un Higgs en la región alrededor de 144 GeV (entre 135 y 145) se debe a que en dicha región se observa que la línea continua está un poco por encima de la unidad mientras que la línea discontinua está a más de dos desviaciones (sigmas) por debajo de la unidad. Las nuevas figuras de ATLAS y CMS que abren esta entrada confirman este punto, aunque con menos claridad de lo que se esperaba tras los resultados publicados en julio. Quizás todo sea una simple fluctuación estadística. Os he mostrado arriba las figuras de CMS de los canales  H→γγ y H→WW porque como se puede ver en la figura del primero hay un exceso muy claro alrededor de 140 GeV y en la segundo sin embargo dicho exceso no se observa. Quizás el origen del exceso observado en las figuras que abren esta entrada sea el exceso en el canal H→γγ, para el que los experimentos del LHC aún no tienen suficientes colisiones acumuladas como para tener una sensibilidad suficiente (la línea discontinua está entre 2 y 4).

En opinión de Alberto, «no tiene sentido» hablar todavía de pruebas que apunten al Higgs. «Si el Higgs tuviese 144 GeV, la línea negra estaría por encima de 1, hacia el valor de 144 GeV, y por debajo para el resto, si se tiene suficiente sensitividad en el resto, lo cual no será tan sencillo, sobre todo para masas en torno a 120 GeV.» Ahora mismo la línea no baja como debería, lo que descarta esta posibilidad, según Alberto de forma rotunda. Los resultados que se publicarán en diciembre de 2011 y en febrero de 2012 descartarán definitivamente un Higgs de 144 GeV, o lo confirmarán fuera de toda duda. Para entonces se espera alcanzar una sensibilidad por encima de 120 GeV y justo por debeja de los 140 GeV se alcanzará una sensibilidad superior a 4 sigma.

Todavía es pronto para lanzar las palomas al vuelo o ponerse a tañer las campanas. La búsqueda del bosón de Higgs es como novela por entregas que estamos disfrutando día a día, casi en directo. Nada similar ocurrió con la búsqueda del quark top o con ninguna otra partícula elemental predicha por el modelo estándar.

Más información en CERN Press Release, «LHC experiments present latest results at Mumbai conference,» 22 August 2011. El próximo miércoles 25 de agosto habrá una rueda de prensa en Mumbai en la participará el director general del CERN, Rolf Heuer.

Me he enterado tarde… pero hay un webcast del CERN con las charlas de Lepton Photon 2011 en directo.

Estas figuras muestran la significación estadística (CLs) con la que se excluye el bosón de Higgs del modelo estándar, tanto para CMS (arriba, con banda brasileña) como para ATLAS (abajo). Estas figuras permiten ver dónde se excluiría el bosón de Higgs sin en lugar de usar un criterio del 95% se utilizara otro criterio (el 90% o el 99%). Donde el valor presentado por estas figuras sea más pequeño más confianza se tiene a que la exclusión observada es más fiable.

Esta figura muestra los límites de exclusión para la masa del Higgs si existieran 4 generaciones de partículas. La figura excluye al 95% C.L. un Higgs con una masa en el intervalo 120-600 GeV, aunque la línea discontínua (valor teórico esperado) lo excluiría en el intervalo 116-600 GeV). La verdad es que no se ve nada claro pero parece que el exceso está entre 1 y 2 sigma. Si el bosón de Higgs fuera encontrado con una masa mayor de 120 GeV entonces esta figura excluiría una cuarta generación de partículas elementales.

Esta entrada ha tenido una vida accidentada, ya que he cambiado el título y gran parte de los contenidos durante esta mañana. Quizás haya futuros retoques, conforme hoy mismo se vayan publicando nuevos resultados sobre el Higgs que merezcan ser reportados…

La noticia sobre el Higgs en otros blogs/medios: Fermi National Accelerator Laboratory and Brookhaven National Laboratory, «LHC experiments eliminate more Higgs hiding spots,» Symmetry Breaking, August 22, 2011.

Quisiera destacar la interesante entrada de  Tommaso Dorigo, «New ATLAS Limits On Higgs Mass,» A Quantum Diaries Survivor, August 22nd 2011, que nos destaca la siguiente figura de ATLAS (que aparece en el artículo que mencio al principio de la entrada). El artículo de Tommaso, como siempre, merece la pena.

Esta figura publicada por ATLAS muestra el nivel de confianza (valor p) de compatibilidad entre los datos esperados, si hay un bosón de Higgs con cierta masa, y los datos experimentales observados. En el eje horizontal aparece la masa del bosón de Higgs. En el eje vertical hay dos curvas. La curva en negro el valor p observado para la compatibilidad entre los datos observados y el fondo de colisiones (ruido) esperado; la curva discontinua es el valor p esperado en ATLAS si hubiera un bosón de Higgs con la masa correspondiente. Una señal de la posible existencia de un bosón de Higgs con cierta masa se mostrará en esta figura como la coincidencia de ambas curvas. Para la fluctuación observada alrededor de 140 GeV, esta figura muestra que si se trata de un bosón de Higgs con esta masa entonces ATLAS ha tenido muy mala suerte (palabras de Tommaso) ya que se esperaba un exceso con más de tres desviaciones estándar y solo se obtuvieron unas dos. Según Tommaso esto indica claramente que dicha señal no está en los datos. Para Tommaso es mucho más interesante el «exceso» que se observa entre 125 y 130 GeV (flecha verde central); el exceso aparece en el gráfico donde se espera que tendría que aparecer si hubiera un Higgs allí, ya que las dos curvas negra y discontinua coinciden allí. Por supuesto, también hay otra coincidencia (primera flecha verde) alrededor de 100 GeV donde LEP2 descarta un Higgs con mucha confianza.

PS (24 ago. 2011): Geoff Brumfiel, «Higgs signal sinks from view,» News, Nature, 22 august 2011: «The Higgs boson, the most sought-after particle in all of physics, is proving tougher to find than physicists had hoped.»



22 Comentarios

  1. Más bien está indicando, por el contrario, que se va a excluir el Higgs en torno a 145 GeV y va a quedar sin excluir el rango entre 115 y 140 GeV, aproximadamente.

    Habida cuenta de que la combinación de medidas electrodébiles apuntan a una masa baja del Higgs, caso de que exista, su masa más probable estará en torno a 116-120 GeV.

    Una dura tarea para el LHC, porque ahí es más difícil de observar y tendrá que utilizar, esencialmente, el canal de desintegración del Higgs a dos gamma

    No obstante, en un plazo de un año, gracias al LHC, se sabrá si existe o hay que excluirlo totalmente.

    Mientras tanto será interesante ver los resultados del Tevatron, a esas masas bajas, donde empieza a ser sensitivo, siendo, por otra parte, el canal más sensible la producción de un bosón W y un bosón de Higgs, desintegrándose a un par de quarks b anti-b.

  2. Muchas gracias por explicarlo. Por fin me entero como se busca el boson de Higgs. Yo siempre pensé que era una busqueda directa, y sin embargo es una busqueda por descarte.
    Gracias por acercar este mundo a los que no tenemos ni idea de fisica de particulas.

  3. Permíteme corregir alguna de las explicaciones que has dado, creo que es importante hacerlo:

    «…Las gráficas que abren esta entrada, que repito aquí para facilitar la referencia, muestran el cociente entre la predicción teórica para la probabilidad de observar un Higgs con cierta masa y el resultado experimental observado para dicha probabilidad (sección transversal).»

    No, no es así, sino lo siguiente:

    Las gráficas muestran el limite al 95% de CL del cociente entre la sección eficaz observada (línea continua) o esperada (línea discontinua) y la que se obtiene de la teoría. Se muestran esos límites como función de la masa del bosón de Higgs.En el caso de la esperada el numerador de ese cociente se refiere a la hipótesis nula, es decir, sin bosón de Higgs.

    La diferencia entre línea continua y discontinua es que la continua se basa en la observación real, los datos que se tienen, mientras que la discontinua se basa en lo que uno esperaría dadas las características del detector y del método. Esta última la que se suele estudiar primero, para conocer la sensibilidad del experimento. La continua se obtiene después, es decir se analiza un examen «ciego» antes de ver lo que proporcionan los datos, a fin de no estar sesgado el método.

    «.. Si la línea continua gruesa es mayor que la unidad, aún no se han acumulado suficientes colisiones para observar o descartar el Higgs. Si el valor de la línea continua está por debajo de la unidad, significa que habría que haber observado al Higgs pero no se ha hecho (cuanto más baja esté la línea más probable es que el Higgs no tenga dicha masa)»

    No está bien explicado. En el caso de la línea continua, si el valor de la línea está por debajo de la unidad quiere decir que el Higgs, con esa masa, está excluido al 95%, o, dicho de otro modo, que la probabilidad de existencia del boson de Higgs a esa masa es menor del 5%. Como la línea discontinua se ha realizado con la hipótesis nula, cuando pasa por debajo de la unidad nos indica que el método utilizado es sensible (al 95% de CL) a la observación de la existencia del bosón de Higgs.

    .»..Finalmente, cuando se descubra el Higgs lo que se observará en estas figuras es un pico con un valor igual a uno rodeado a ambos lados por valores de la curva por debajo de uno (la anchura de este pico es una predicción del modelo estándar y depende de la masa). Por ello, lo más interesante de la figura obtenida por ATLAS es la región alrededor de 144 GeV (entre 135 y 145). En dicha región se observa que la línea continua es igual a la unidad y se “resiste” a bajar, lo que podría ser una prueba de que existe un Higgs con dicha masa. De todas formas todavía es pronto para lanzar las palomas al vuelo o ponerse a tañer las campanas.»

    No, no es así.

    Cuando se descubra el Higgs lo más lógico es que en torno a su valor de masa, la línea continua se mantenga por encima del valor de 1, mientras que la discontinua estará por debajo. Otras gráficas más interesantes que ésta, en este caso, nos indicará cual es la probabilidad de que los datos se hayan obtenido para la hipótesis nula, y resultarán valores muy bajos ( menopres que 3* 10^ -7, o 5 sigmas.

    » La figura ofrece mucha más información interesante. La línea discontinua a trazos es la predicción teórica para el caso de que el bosón de Higgs no exista (hipótesis nula). Dicha línea está rodeada de una banda verde y otra amarilla que corresponden a los intervalos estadísticos con una confianza de una y dos, resp., desviaciones típicas. Si la línea continua se separa mucho de la línea discontinua indica que hay una fluctuación estadística respecto a la hipótesis nula o que se esconde algo interesante respecto al bosón de Higgs para dichos valores de la masa»

    Si, así suele ser.

    «. Por ejemplo, para la región alrededor de 144 GeV la línea continua es mayor de 2 desviaciones típicas respecto a la línea discontinua, como sería de esperar para la existencia de un bosón de Higgs con una masa en el intervalo entre 135 y 145 GeV. Todavía es pronto para afirmar nada con rotundidad ya que por debajo de unos 130 GeV la línea continua sigue muy por encima de la unidad, indicando que en dicha región aún no se han observado/analizado colisiones suficientes para afirmar nada respecto al Higgs. Los resultados que se publicarán en diciembre de 2011 y en febrero de 2012 prometen ser apasionantes, pues todo indica que la línea discontinua estará por debajo de uno alrededor de 120 GeV y si existe un Higgs con una masa de unos 144 GeV entonces la línea negra deberá bajar por debajo de uno alrededor de 130 GeV.»

    No, esto no tiene sentido. Si el Higgs tuviese 144 GeV, la línea negra estaría por encima de 1, hacia el valor de 144 GeV, y por debajo para el resto, si se tiene suficiente sensitividad en el resto, lo cual no será tan sencillo, sobre todo para masas en torno a 120 GeV. Seguramente habrá que esperar un poco más, a acabar de tomar todos los datos de 2012

  4. Una observación y matización, dices: «(…)Como el fotón tiene masa nula, aparece una partícula neutra de espín uno, el bosón de Higgs, que interacciona (de forma no lineal) consigo mismo y se dota a sí mismo de masa, llamada bosón de Higgs.(…)» Eso es impreciso. El bosón de Higgs del Modelo Estándar ( SM Higgs boson) es una partícula escalar, de espín cero, no de espín uno. Hay otros modelos más exóticos en los cuales la ruptura espontánea de simetría es mediada sin Higgses, e.g., en modelos con dimensiones extra, el tecnicolor, no-partículas,…en las cuales la partícula responsable de la generación de masa de leptones y quarks no es el Higgs sino otra cosa. Un modelo Higgless ( sin SM Higgs) que produce un «Higgs» de espín uno es el modelo Randall-Sundrum de tipo 2 en el que tras una descomposición Kaluza-Klein de un bosón vectorial en 5 dimensiones proporciona, tras la elección de gauge y condiciones de contorno adecuadas, un «bosón de Higgs» en 4D de espín uno. Lo que significa realmente es que incluso cuando hay sucesos tipo bosón de Higgs, el LHC o Tevatron o cualquier otro acelerador tiene que medir diferentes características de sus modos de desintegración para determinar qué tipo de mecanismo o bosón de Higgs es. Así, hay que medir a parte de su masa ( que ningún modelo predice con exactitud), su espín ( el SM Higgs y generalizaciones normales posee espín cero, ya que es una partícula escalar), su paridad, y su carga eléctrica ( existen diferentes modelos de teorías con Higgs neutros, en teorías supersimétricas especialmente, Y con carga +1, +2, -1, -2 en unidades de carga del electrón, especialmente en SUSY y en seesaw-like GUTs).

    1. Gracias, Juan F., por detectar el gazapo [«…de espín uno, el bosón de Higgs…»].

      En cuanto a los modelos sin Higgs hay que tener cuidado con lo que se mete en el mismo saco, porque dichos modelos son sin partícula de Higgs pero muchos de ellos incluyen el campo de Higgs (que más o menos es lo mismo, pero la señal observable en las colisiones del LHC es diferente).

      Por otro lado, tampoco quisiera que se olvidara que incluso un bosón de Higgs de baja masa (pongamos 120 GeV) podría ser una partícula compuesta.

      Más información en Gautam Bhattacharyya, «EWSB Beyond SM,» Lepton Photon 2011, 22 august 2011.

      Finalmente, tienes razón, lo importante no es encontrar el bosón de Higgs (que será encontrado) sino caracterizar sus propiedades; casi seguro que tendrá una masa entre 115 y 145 GeV, un espín cero y será neutro para las cargas eléctricas y de color; sin embargo, los detalles sobre cómo interactúa consigo mismo (el potencial no lineal del campo de Higgs) permiten gran número de posibilidades (todas dentro del modelo estándar, aunque no del modelo estándar mínimo). En mi opinión, los detalles del potencial serán claves para la comprensión última de la ruptura espontánea de la simetría electrodébil y para utilizar ésta como ejemplo de otras rupturas de simetría más allá del modelo estándar.

      1. Por eso mencionaba lo de la imprecisión, incluso con la cuestión del «compositeness» o composición del bosón de Higgs ( típico de modelos de tecnicolor, tecnicolor extendido, preones, …) y no tenía intención de poner a todos en el mismo saco ( lee con cuidado mis palabras, jeje). Soy un teórico algo peculiar y conozco las alternativas aunque no en todo detalle ( no es mi área de «expertise»). Simplemente quería poner un ejemplo de que el «bosón de Higgs» que encontremos y que estabilice las predicciones del Modelo Estándar que tan bien se han portado hasta con pocas excepciones no requiere en absoluto que sea una partícula de espín uno o escalar.

        Gracias por el link a la charla reciente, la desconocía, aunque yo tengo también recursos, nunca viene mal uno más. :D.

        Sobre lo que comentas del potencial: es cierto, pero lamentablemente con el LHC se podrá avanzar muy poco en la medida de los acoplos del Higgs al resto de partículas, sólo al quark top, que como bien comentas es el que parece que más correcciones recibe ( y es un asunto que desconcierta y no se comprende absolutamente nada el por qué el Higgs se acopla tan fuertemente al top y no a todo lo demás ¿qué subestructura hay detrás de eso? Hasta donde yo sé, no conozco ningún modelo teórico razonable que explique ese acoplo tan fuerte al top y más soft al resto) y que se intuye como una piedra de Rosetta de algo que estamos a punto de abrir. Y veremos si de comprender en este siglo.

        Esencialmente, y de eso te lo puedo decir porque he tenido contacto y tengo fuentes dentro de ahí desde hace años, como tú supongo, el LHC es física del quark top ( o sea, top-Higgs coupling), mecanismo de ruptura espontánea de simetría electrodébil ( Higgs boson o equivalent ) y Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo ( para intentar despejar si SUSY es o no una solución para el fine-tuning y/o el problema de la jerarquía). En el reciente Workshop al que asistí, para que entiendas en qué punto nos encontramos, me dijo esto algo gente de los experimentales:

        «(…)Bueno, esencialmente, el bosón de Higgs se ha mediatizado y politizado demasiado. Y hay que justificar el gasto aunque suene mal decirlo como científicos(…). Realmente estamos probando una escala de energía nueva y no hay demasiadas pistas sobre seguro, así que lo que se ha hecho para el triggering ( software que selecciona los sucesos de los miles de millones que produce en las colisiones) es bastante simple: ¡todo lo que no sea potencialmente un bosón de Higgs o una partícula supersimétrica en estos momentos se tira a la basura!(…)»

        Me quedé un poco chocado cuando me lo soltaron de gopetón, pero es lógico tras los millones de euros soltados en el proyecto, los lobbies involucrados y el mantra de «la partícula de Dios» creado en mi opinión para contentar a las esferas religiosas de poder. En esta fase inicial de «baja luminosidad» la prioridad se ha establecido en el «mecanismo de generación de masa electrodébil» y en «SUSY». Curiosamente, SUSY es una especulación teórica que inunda todo desde los 70 y hay razones para sospechar que está ahí en alguna forma, aunque los datos aún no son esperanzadores, especialmente para el MSSM. La esperanza teórica es que SUSY, si es parte o solución del problema de la jerarquía y del fine-tuning, «predice» un rango de masa para el bosón de Higgs neutro más ligero muy cerca de la cota del LEP. Depende del fit que hagas, en torno a 120-130 GeV. Pero eso está también en pugna con una cota debida a la estabilidad del vacío de unos 130 GeV también ( aproximadamente, hablo en orden de magnitud). Así que, a nivel teórico incluso, el bosón de higgs si existe está ahora mismo «acosado» o «acorralado». Y, en mi opinión, dado el ritmo al que se están desarrollando las cosas, puede que tengamos algo antes de fin de año, si existe. Quizás lo más negativo ha sido la noticia de que cierran el Tevatron en USA ( muy triste la noticia cuando se dió) pues tenían un programa muy desarrollado para barrer la zona que más le va a costar a LHC si el Higgs está ahí: el intervalo 114-165 GeV. Un aspecto que no ha sido muy comentado en los blogs ha sido que TeVatron rechaza también un Higgs boson por debajo de la cota LEP, haciendo los resultado de éste más robustos ( aún había algún teórico especulando sobre encontrar el Higgs en torno al extremo de la cota LEP o más bajo, algo que Tevatron rechaza al 95%). Lo que esto pone de manifiesto es que es importante la competencia para espabilarse y el apoyo del dinero. USA ha reorientado recursos al campo de los neutrinos ( donde ando yo intentando meter la nariz a fondo). A mí lo que me interesaría es que no hubiera bosón de Higgs normal, o que si lo hay sea «más masivo» de lo normal. Eso haría las cosas mucho más divertidas e interesantes ( ¡llámame malvado!).

        La fase más «interesante» de la física del LHC vendrá tras el upgrade y la fase de «alta luminosidad». Y ahí, aunque será esencial lo que aporte el descubrimiento o no del Higgs hay para todos los gustos: modelos supersimétricos, compositeness ( tecnicolor y diferentes variantes), dimensiones extra ( ya ha habido algún resultado «negativo» al respecto), …Búsquedas de monopolos magnéticos, el majoron,el sphaleron, branon physics, TeV-seesaw, sterile neutrinos, unparticles y ungravity, Kaluza-Klein particles, estados excitados de partículas conocidas, valles ocultos, incluso micro agujeros negros ( de observarse y encontrarse la radiación de Hawking el Nobel tendría dueño), wormholes y CTC, closed timelike curves a.k.a., time-machines ( estos útlimos 3 casos muchísimo más especulativos ya que no hay predicciones sólida de cómo incorporar la gravedad en este engendro de la Alta Energía de una forma clara) … Y todo aquello que no hayamos podido imaginar y que LHC pueda crear/observar ( ¡lo más apasionante sin duda es siempre lo que no podemos anticipar!). Sin embargo, siendo conservadores, que es lo que los padres del LHC tenían en mente como base, LHC es física del Higgs, top y poco más, quizás alguna cota nueva a SUSY. Lo más optimista: encontrar un tipo de partícula que no se acopla al modelo estándar y es «oscura» que permite explicar la materia oscura ( la energía oscura parece otro cantar, con permiso del approach seguido por dark spinors).

        Precisamente el que el top está muy fuertemente acoplado al bosón de Higgs es una explicación de su alta masa, pero desconocemos qué significado tiene. ¿Más generaciones pero mucho más pesadas bajo la alfombra? ¿Tal vez un sector no perturbativo fuertemente acoplado al bosón de Higgs? La pena es que habrá que esperar al colisionador lineal internacional para descifrar razonablmente con más precisión los parámetros de dicho potencial, a no ser que salgan ideas nuevas para lograr medir los lambda en el upgrade y update de LHC ( y ha habido tiempo para haberlo hecho ya, aunque siempre puede salir alguien con ideas descabelladas de última hora).

        Un saludo, JFGH

      2. Gracias, Juan, por tu extenso comentario. Yo soy físico pero no soy doctor en física (soy doctor en matemáticas) y no soy físico teórico (me dedico a los métodos numéricos y a las ecuaciones en derivadas parciales que propagan ondas de tipo solitón), así que estoy muy alejado del CERN; pero me gusta aprender sobre la física de altas energías. Soy lo que se puede decir un buen aficionado.

        «SUSY es una especulación teórica que inunda todo desde los 70 y hay razones para sospechar que está ahí en alguna forma, aunque los datos aún no son esperanzadores, especialmente para el MSSM.»

        Cierto, pero con NMSSM se puede relajar bastante este problema. La supersimetría está rota (a baja energía no se observa) y no es fácil explicar por qué su rotura no está relacionada con la gravedad. En mi opinión se requiere un ajuste más fino de lo «natural» para lograr que la susy se rompa en la escala de los TeV y el LHC la observe.

        «¡Lo más apasionante sin duda es siempre lo que no podemos anticipar!»

        Completamente de acuerdo.

  5. Y dos comentarios más:
    1) El LHC ha sido diseñado, principalmente, sólo para descubrir la naturaleza del mecanismo de ruptura de simetría electrodébil, muy probablemente, aunque no necesariamente, mediado por algún tipo de bosón de Higgs.
    2) Si hay o no mecanismo de Higgs, el LHC puede determinar razonablemente bien su espín, masa, paridad y carga de aquello que haya en la escala menor de 1 TeV que estabiliza el modelo estándar en el sentido de que las amplitudes para producir bosones W y Z es unitaria y conserva la probabilidad ( algo esencial desde el punto de vista físico y matemático).

    Sin embargo, hay algo que el LHC no podrá hacer y es igualmente importante: medir la constante de acomplamiento lambda con los fermiones del SM ( leptones y quarks). Ha habido propuestas para hacerlo en las actualizaciones propuestas para LHC, VLHC o SLHC, pero tienen enormes problemas debido a la naturaleza de las colisiones protón-protón. Para eso será necesario una nueva clase de colisionadores, lineales en lugar de circulares como LHC. El ILC ( International Linear Collider) , colisionador electrón positrón, está en fase de desarrollo ahora ( hay diferentes proyectos también como CLIC en vez de ILC), así como el estudio de colisionadores de tipo diferente: fotón -fotón, muón muón, que plantean retos importantes de tipo tecnológico aunque con interesantes aplicaciones interdisciplinares como resultado de la investigación y desarrollo de dichos proyectos.

    Conclusión: la física de partículas está aún vivita y coleando ¡!

    1. Dices bien, Juan. A propósito, la próxima conferencia mundial del ILC se celebra este año en Granada, del 26 al 30 de Septiembre. Se esperan muy importantes e interesantes discusiones. Hay una página web describiendo el Congreso, al que asistirán alrededor de 400 científicos, incluidos muchos de los más importantes en el campo de la fisica de aceleradores y partículas elementales. La página web es la siguiente:
      http://www.ugr.es/~lcws11

  6. En primer lugar quisiera dar las gracias a Francis por el esfuerzo que está realizando para explicar este apasionante tema a los no expertos y también a Alberto y Juán por las aclaraciones.
    De nuevo parece claro que hay que esperar a tener más datos para tener algo concluyente. Los indicios apuntan a que el Higgs de 144 Gev/c2 quedará proximamente descartado (aunque todavía no es seguro) y ya solo nos queda un Higgs en torno a 120 Gev/c2. Como se ha dicho, en esta masa hay que fijarse principalmente en el canal de difotones y en este canal CMS ha presentado solo 1,66 /fb por lo que está claro que necesitamos más colisiones. De todas formas si es posible conseguir 5/fb a finales de Octubre se debería obtener una evidencia de 4 sigmas para un Higgs de 120Gev/c2 para entonces, si el Higgs existe le queda muy poco tiempo para mantenerse escondido en su «oscuro agujero».
    Me llaman la atención los comentarios de Juan González sobre que el LHC no podrá dar detalles sobre los acoplos del Higgs al resto de partículas, sobre esto me surge la duda siguiente: ¿Esto es cierto para todos los casos o depende del tipo de Higgs que se encuentre? Tenía entendido que si se encontrase por ejemplo un Higgs compuesto entonces el mecanismo del Higgs nos revelaría muchos de los detalles de como se produce el mecanismo de ruptura espontánea de la simetría (y supongo que también sobre las características del propio campo de Higgs).

    1. En general, los acoplamientos se medirán con mucha mayor precisión en el ILC.

      Concretamente, si la rotura de simetría electrodébil es debida a interacciones fuertes en el sector de Higgs, el ILC será el que determine esas interacciones fuertes a través de procesos con top y bosones W.

    2. Veamos, la pregunta que haces es fácil de responder. Lo que has escuchado seguramente es que si se encuentra «el Higgs» ( sea lo que sea) se revelarían los detalles de la ruptura de simetría. La realidad es más bien un poco más gris. LHC, como he mencionado, ha sido construido bajo unas hipótesis más bien conservadoras aunque podrá hacer ( y ya hace) muchas más cosas ( en particular, también se hacen colisiones de iones pesados en LHCb). El punto es que hay algo en la escala 114 GeV-1 TeV, sea lo que sea, que debe revelarse en forma de «algún tipo de partícula» que podamos medir. El mecanismo de Higgs es el más popular a día de hoy aunque recuerde al éter electromagnético previo a la relatividad especial. Yo no he dicho que no se pueda medir los detalles de los acoplos del Higgs ( los lambda del potencial) sino que son medidas muy complicadas en un acelarador protón-protón. De hecho lo que sabemos que LHC puede hacer es que, independientemente de la naturaleza del modelo «Higgs-like» que uses, el acoplo que se podrá medir mejor, pero con bastante imprecisión, es el acoplo del Higgs al quark top, el único que es lo suficientemente «fuerte» como para poderlo desenmarañar de los datos y el background. Ha habido propuestas y las habrá de aquí al upgrade para medir algún otro acoplo ( por ejemplo al quark b, y en menor medida al strange o el charm), pero es muy complicado realizar medidas de dicho acoplo mediante observaciones de jets, y esto es una propiedad bastante model-independent, tiene que ver con la propia naturaleza de un collider de hadrones, así que, salvo una genialidad, la gente asume en este momento que sólo puede medirse lambda del top, y quizás, con mucho cuidado y más imprecisión, el acoplo al quark bottom mirando el canal H->b bbar ( bottom antibottom) y esperar que no sea demasiado pequeño el mismo.

      Algo que no sea el mecanismo de Higgs, dependiendo de o que sea, puede revelar más detalles o no. Es una pregunta delicada ahora. En estos momentos, las hipótesis bajo las que trabaja el triggering de LHC son, principalmente ( no quiere decir que con los datos no pueda testarse otra cosa), HIggs y SUSY events ( sucesos tipo Higgs o SUSY), como dije ayer. Y los experimentales están evidentemente sesgados por ese prejuicio, que exista HIggs o SUSY, en estos momentos. Si se descarta antes de 2012 el mecanismo de Higgs ( con los últimos datos ya ha habido gente que está empezando a considerar la idea más seriamente desempolvando modelos Higgless que tenían en el cajón) porque digamos los datos muestren que no hay bosón de Higgs entre 114 GeV-1TeV, aparte de que habrá que mirar los datos guardados con otras hipótesis y ver qué hay ahí, significará:

      1) Hemos estado más de 40 años hablando de «basura».
      2) Hay nueva física más allá del Modelo Estándar.
      3) No entendemos la estructura del vacío, algo que también sospechamos es no trivial por el vacío de QCD.

      Y entender qué hace existir a los bosones W y Z sin que la amplitud de sus procesos,dadas las medidas de precisión EW realizadas, sin un Higgs, es algo que a algunos teóricos les puede dar dolor de cabeza.

      Desde luego, si no hay Higgs, las teorías preónicas y del compositeness sufrirán un empujón considerable. Han estado ahí siempre, pero han sido mantenidas al margen por las medidas de precisión electrodébil. Sin embargo, observando los papers en arxiv.org desde que el LHC empezó a funcionar, han experimento un reboot directamente proporcional al tiempo que el Higgs sigue sin manifestarse.

      En resumen, lo del problema de medir el acoplo Higgs-quarks es real: no puede medirse demasiado en LHC ( al top y al bottom, muy dificil o imposible medirlo al resto de generaciones de quarks e imposible hacerlo con los leptones). Eso no significa que no pueda aprenderse o estudiarse las propiedades de un Higgs, el acoplo es solo una de sus características ( interesantísimo desde luego medirlo si existe, pero hay más). También puede ser que el Higgs, suponiendo existe claro, se desintegre a partículas que no pertenezcan al Modelo Estándar. Eso y sus propiedades de carga, masa, paridad, helicidad, y anchura de desintegración a los diferentes canales que pueda presentar ( especialmente aquellos que sean diferentes a los del Modelo Estándar) es lo que LHC puede hacer con un Higgs. Sea cual sea el modelo, el collider es lo que puede hacer/medir. Si no hay Higgs, aquello que DEBE existir en la escala de energía inferior a 1 TeV deberá ser estudiado mucho más minuciosamente, aunque ahí los propios experimentales están debatiendo qué hacer. También, sacado textualmente de un experimental sin demasiado sesgo en teorías «beyond Standard Model»:

      «(…) Si no encontramos el bosón de Higgs a menos de 1 TeV, a parte de justificar el gasto, estaremos muy preocupados. Porque, a pesar de todos los modelos sin Higgs que pueda haber, ¿por dónde empezamos a mirar los datos y los sucesos que hemos grabado bajo un triggering que selecciona sucesos tipo Higgs o supersimetría? (…)»

      La Nueva Física será desenterrada más fácilmente con Higgs que sin Higgs a corto plazo. A medio plazo será más interesante desde luego, pero estamos ahora mismo ante el momento de la verdad del Higgs. No le queda espacio ni demasiado tiempo para aparecer de existir. Pienso, divertido, que muchos de los que apuestan por el bosón deben estar ahora pensando «Higgs, ¡manifiéstate!Te lo ordeno…» Jajaja.

  7. Y sobre lo del bosón de 144 GeV, no está descartado, pero la señal ha perdido significancia estadística. Un bosón de Higgs ligero en torno a 120 tiene sus problemas, y serios ( la metaestabilidad del vacío que generaría es una de ellas, a pesar de que los teóricos lo prefieren porque apunta a teorías supersimétricas). De todas formas, como señalaba Feynman, todo depende de los prejuicios que tengas. Hemos estado más de 40 años discutiendo sobre una partícula que nadie ha visto y que puede revelarse inexistente ¿os suena de algo la historia? Y sin embargo, tenemos 3 generaciones de partículas en el Modelo Estándar cuyo origen nadie entiende. Curioso.

    1. Si, te iba a hacer la aclaración de ALICE. Por cierto que LHCb es también un experimento dedicado, en este caso a la física de sabores ( que adivino te interesa especialmente, Juan, aunque en tu caso estés más inclinado a la física de sabores con neutrinos)

      Por cierto, que cuando hablas de «experimentales» deberías decir «fenomenólogos», porque son más bien los teóricos fenomenólogos los que proponen canales más «adecuados» según su propia visión del problema ( y la gran cantidad de resultados de precisión que han fortalecido el modelo estándar).

      En todo caso el número de «trigger» es mucho más extenso que los dedicados a Higgs y supersimetrías. Seguro que canales de nueva física diferente serán captados por el LHC, si existen.

      En todo caso, exista o no el Higgs, el trabajo que se ha realizado durante 40 años ha sido magnífico y ha fortalecido enormemente el modelo estándar. No me parece razonable hablar de «basura», aunque sea informalmente

      1. Sí, hay más canales que Higgs y SUSY, pero ahora mismo, todo el esfuerzo es, SOBRE TODO, que no lo único por supuesto, Higgs+SUSY. Ha habido algunas búsquedas de resonancias Kaluza-Klein y dimensiones extra en diversos canales que han dado como resultado elevar la cota de energía de las mismas.

        Bueno, quizás hubiera sido mejor mandar a la basura las teorías mas naive o ingenuas. Pensar en inglés es lo que tiene, que luego traduces y puedes pensar algo distinto a lo que estás escribiendo. De hecho, un punto importante, es que estas límites de exclusión de masa del Higgs son para un SM Higgs. Es decir, incluso en las zonas de exclusión podría encontrarse un Higgs, como menciona el blog resonances:

        «(…)One should not forget that the LHC limits refer to the Standard Model Higgs. Beyond the Standard Model the Higgs may have a reduced cross section, larger width, invisible or more pesky decays, and so on. Any of these modifications may invalidate the Standard Model limits and make the search more challenging. For the moment the standard Higgs is the priority but we’ll think more seriously about the alternatives in case no evidence is seen in 5fb-1. Furthermore, going beyond the Standard Model, a very heavy Higgs above 450 GeV becomes formally allowed provided some other particles mess up into our precision observables.(…)»

        Esencialmente, si se descubre un Higgs a 200 GeV, no puede ser un Higgs del modelo estándar, por ejemplo. Mis disculpas por decir la palabra «basura» cuando pensaba «40 year old naive EWSB theories and papers will go to trash and they will have to be improved».

        Saludos,

        JFGH

  8. Muchas gracias a ambos por las respuestas. Sin duda son momentos apasionantes para la física fundamental y nosotros tenemos el privilegio de ser espectadores (algunos incluso actores) de estos momentos decisivos.

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