Nota dominical: La historia de la búsqueda del bosón de Higgs

Dibujo20130113 ALEPH Collab - Higgs search - 1989-1990

¿Cuándo empezó la búsqueda del bosón de Higgs? A veces se dice que empezó en 1964, otras que tras la “Revolución de Noviembre” en 1974, pero antes del descubrimiento de los bosones Z y W en 1983 era imposible buscar el Higgs. La búsqueda empezó en 1989 en el colisionador electrón-positrón LEP (Large Electron-Positron collider), el antecesor del LHC en el CERN. El primer artículo con resultados de exclusión para el Higgs está fechado el 1 de diciembre de 1989 y fue publicado por la Colaboración ALEPH (Apparatus for LEP PHysics) en Physics Letters B el 15 de febrero de 1990 [1]. El canal de búsqueda utilizado era la desintegración Z→Z*H, es decir, la desintegración de bosones Z en hadrones (sobre todo pares bottom-antibottom). En este primer artículo, tras analizar 11.500 bosones Z se excluyó el rango de masas para el Higgs desde 32 MeV/c² hasta 15 GeV/c² al 95% C.L. Un segundo artículo [2], enviado el 31 de enero de 1990, utilizando 25.000 sucesos del mismo tipo, excluyó también el rango entre 11 y 24 GeV/c² al 95% C.L.

Estos resultados fueron confirmados por la Colaboración L3 (también en el LEP), en un artículo [3] enviado el 25 de junio de 1990; gracias a 50.200 sucesos de desintegración de bosones Z en hadrones se excluyó el intervalo de masas para el Higgs desde 2 hasta 32 GeV/c² al 95% C.L. La primera búsqueda de un Higgs supersimétrico fue enviada a publicación por L3 el 25 de agosto de 1990 [4] utilizando el Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo (MSSM). En concreto se buscó un bosón de Higgs escalar h y uno pseudoescalar A utilizando 71.000 desintegraciones de bosones Z, excluyendo una masa menor de 41,5 GeV/c² al 95% C.L.

Dibujo20130113 LEP - Higgs exclusion - 1989-1994

LEP buscó el Higgs durante sus primeros cinco años (de 1989 a 1994) en sus cuatro experimentos, llamados ALEPH, DELPHI (DEtector with Lepton, Photon and Hadron Identification), L3 y OPAL (Omni-Purpose Apparatus for LEP). Tras analizar varios millones de desintegraciones de bosones Z y combinar los resultados de los cuatro experimentos se excluyó la existencia de un Higgs con una masa menor de 65,1 GeV/c² al 95% C.L., como muestra en la figura de abajo extraída de [5]. En la parte derecha se ve que la acumulación de datos de colisiones permite subir los límites de exclusión, poco a poco, en los cuatro experimentos de forma independiente, pero consistente entre sí. En la parte izquierda los últimos límites de exclusión (el número de Higgs que se espera observar en función de la masa junto al número de sucesos realmente observados).

Dibujo20130113 LEP - MSM Higgs exclusion ALEPH DELPHI L3 OPAL - 1989-1994

Me gustaría destacar dos cosas de esta figura. Lo primero, la importancia de que haya varios experimentos que obtienen resultados de forma independiente. Experimentos que compiten entre ellos para lograr el nuevo mejor límite de exclusión, conforme van acumulando colisiones. Y lo segundo, la importancia de combinar los resultados de dichos experimentos para mejorar los límites. Como son experimentos independientes, sus resultados se pueden combinar, lo que es equivalente a incrementar el número total de sucesos analizados.

Dibujo20130113 LEP - MSSM Higgs exclusion ALEPH DELPHI L3 OPAL

Esta figura, también del artículo [5], presenta los resultados de la búsqueda de la supersimetría en los cuatro experimentos de LEP (izquierda) y su combinación (derecha). Estos diagramas muestran la exclusión al 95% C.L. para la masa de un Higgs escalar h y uno pseudoescalar A, predichos por el modelo MSSM. La parte rosada es la excluída, la parte amarilla no está permitida por la teoría, y la parte rallada en verde es la única permitida.

A principios de la década de 1990 estaba claro que había que alcanzar energías más altas. Había tres posibilidades para el futuro: LEP 2, subiendo la energía de LEP a unos 200 GeV; SSC (Superconducting Super Collider) con colisiones pp a 40 TeV c.m. (el libro de la biografía de Leon M. Lederman, escrita por Dick Teresi, “The God Particle,” tenía por objeto evitar que se cancerlara el SSC del que Lederman era director); y LHC (Large Hadron Collider) con colisiones pp a 14 TeV c.m. En octubre de 1993 se canceló el SSC y la búsqueda del Higgs tuvo que relegarse al futuro LEP 2 y al LHC en el CERN (Europa).

Dibujo20130113 quark top discovery tevatron - cdf dzero

A principios de 1995, CDF and DZero, experimentos del Tevatrón en el Fermilab (cerca de Chicago, EEUU) anunciaron el descubrimiento del quark top, con una masa muy grande de 175 GeV. Un quark top con una masa tan grande y con un acoplamiento al Higgs similar a la unidad, abría la puerta al descubrimiento de un Higgs cargado en el Tevatrón (predicción de la supersimetría). El Run 1 del Tevatrón finalizó en 1996 y alrededor de 1998 se pensaba que su Run 2, que se iniciaría en el año 2000, podría descubrir el Higgs (quizás un Higgs cargado) y la supesimetría (gracias al Higgs cargado descubierto) alrededor del año 2005, el año que tendría que iniciar sus colisiones el LHC. EEUU podría arrebatar a Europa el descubrimiento del Higgs. Por supuesto, para ello se requería un gran incremento en la luminosidad (número de colisiones por segundo) y una mejora en los detectores semiconductores de CDF y DZero (os recuerdo que Tevatrón las colisiones eran protón-antiprotón (p-pbar) y que el Run 2 tenía colisiones a 1,96 TeV c.m.).

Dibujo20130113 higgs exclusion at lep - aleph - delphi - L3 - opal

Obviamente, alrededor del año 2000, la opción más firme para encontrar el Higgs era LEP 2, que logró incrementar la energía en el centro de masas hasta 206 GeV, suficiente para buscar un Higgs gracias al proceso Z → Z*H con una masa de hasta 115 GeV/c². A finales de 2000, ALEPH observó dos candidatos a Higgs con una masa de 115 GeV/c², pero DELPHI, L3 y OPAL no observaron ninguno. Se clausuró LEP 2 para dar paso al LHC (que utilizaría el mismo túnel en el CERN). El límite final combinando de LEP 2 para la masa del bosón de Higgs del modelo estándar fue de 114,1 GeV/c², como muestra la siguiente figura.

Dibujo20130113 higgs expectation as function of top and w masses

Muchos pensaban que el Tevatrón tenía una oportunidad firme de descubrir el Higgs antes del inicio de las colisiones de LHC. Sin embargo, en 2003, problemas de financiación se resolvieron cancelando una mejora prevista en los detectores de silicio de CDF y DZero (para ahorrar unos míseros 25 millones de dólares [6]). Muchos físicos pensaban que sin esta mejora, Tevatrón no se podría encontrar el bosón de Higgs que el LHC. La carrera estaba perdida antes de haber empezado. La única esperanza era que el LHC retrasara su inicio y/o tuviera problemas. Estaba planificado que Tevatrón funcionara hasta finales de 2009 y acumulara unos 5 /fb (inversos de femtobarn) de colisiones por experimento, totalizando 10 /fb de colisiones para la búsqueda del Higgs. Siendo un poco optimistas, la única posibilidad de que el Higgs fuera descubierto en EEUU era que tuviera una masa entre 120 y 140 GeV/c² (compatible con las estimaciones teóricas de los tests de precisión de la teoría electrodébil en la época), más próxima a 140 que a 120.

Dibujo20130113 higgs exclusion Tevatron - november 2009

Tevatrón Run 2 tuvo suerte. LHC no inició sus colisiones hasta septiembre de 2008 y un gravísimo accidente tras pocas semanas de toma de datos, obligó a una reparación que consumió un año. Hasta 2009 no se reiniciaron las colisiones. Fue entonces cuando Tevatrón publicó su primer límite de exclusión (6 de noviembre de 2009). Tevatrón había entrado en la carrera por la búsqueda del Higgs. Tevatrón tenía una oportunidad de ganar la carrera si se extendía el Run 2 hasta septiembre de 2011. Así se aprobó. Pero en 2010 el funcionamiento de LHC fue espectacular y rápidamente dejó atrás todas las esperanzas de encontrar el Higgs en EEUU.

Muchos físicos pensábamos que era importante que el Run 2 del Tevatrón se extendiera aún más allá, hasta 2014, para que acompañara al LHC en el estudio de las propiedades del Higgs (en algunos canales Tevatrón tiene menos ruido que LHC por tener menor energía en las colisiones y podía aportar información muy importante). Sin embargo, en el Fermilab se decidió dar carpetazo y pasar el testigo en exclusividad al LHC. La crisis financiera internacional hizo mucho daño. En el verano de 2011 ya se sabía que LHC observaría el Higgs en el verano de 2012 (o como muy tarde a finales de año).

El 4 de julio de 2012 ya ha pasado a la historia de la física de partículas. La búsqueda del Higgs se inició en 1989 con LEP; Tevatrón no entró en ella hasta 2009; LHC entró en 2011 y arrasó. He rescatado esta historia de la búsqueda del Higgs aprovechando la charla de John Conway, “The Hunt for the Higgs Boson,” Haber-Dine Symposium, January 4, 2013 [slides].

Referencias.

[1] ALEPH Collaboration, “Search for the neutral Higgs boson from Zº Decay,” Physics Letters B 236: 233–244, 15 Feb 1990 [preprint 01 Dec 1989].

[2] ALEPH Collaboration, “Search for the neutral Higgs boson from Zº decay in the Higgs mass range between 11 and 24 GeV,” Physics Letters B 241: 141-149, 3 May 1990 [preprint 31 Jan 1990].

[3] L3 Collaboration, “Search for the neutral Higgs boson in Zº decay,” Physics Letters B 248: 203–210, 27 Sep 1990 [preprint 25 Jun 1990].

[4] L3 Collaboration, “Search for the neutral Higgs bosons of the minimal supersymmetric standard model from Z0 decays,” Physics Letters B 251: 311–320, 15 Nov 1990 [preprint 25 Aug 1990].

[5] André Sopczak, “Status of Higgs hunting at LEP : five years of progress,” Int. W. HEP QFT, 16-22 Sep 1994 [arXiv:hep-ph/9504300].

[6] Geoff Brumfiel, “Below-par performance hampers Fermilab quest for Higgs boson,” Nature 424: 3, 3 Jul 2003.

PS: Chris Llewellyn Smith, “Waiting for Higgs – A personal perspective,” Higgs Symposium, Jan. 2013 [slides].

2 Comentarios

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Lorenzo Diaz-CruzLorenzo Diaz-Cruz

Me parece que un poco antes, en los 80′s, también se habían obtenido cotas a la masa del Higgs
mediante el decaimiento Upsilon -> Higgs+gamma, en un rango de masa muy ligero, pero necesario de cubrir, que luego LEP también excluyó.

emulenewsemulenews

Gracias, Lorenzo. Supongo que te refieres a S. Youssef et al., “Search for Higgs scalars in upsilon decays,” Physics Letters B 139:,332-336, 1984 (la figura 3 presenta una exclusión de masas para el Higgs entre 1 y 8 GeV); en su artículo posterior P. Franzini et al., “Limits on Higgs bosons, scalar-quarkonia, and ηb’s from radiative upsilon decays,” Physical Review D 35: 2883–2886, 1987, extendían dicho resultado a masas entre 0,030 y 0,5 GeV. Sin embargo, el artículo S. Raby et al., “Are there really any experimental limits on a light higgs boson?,” Physical Review D 39: 828–833, 1989, critica dichos límites de exclusión (en la sección VIII) y afirma que dichos datos no excluyen (al menos) el rango entre 0,014 y 1 GeV.

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