Higgs pseudoescalares y anomalías experimentales en el LHC

Dibujo20150313 Higgs A to Zgamma to llgamma - cms - broad signal - lhc cern

La física del bosón de Higgs estudiada en el LHC con colisiones protón contra protón a 7 TeV y a 8 TeV se corresponde con las predicciones teóricas del modelo estándar. Ello no quita que se sigan buscando otros bosones escalares y pseudoescalares de tipo Higgs de mayor masa. La última búsqueda de CMS de bosones pseudoescalares ha encontrado un exceso a más de dos sigmas entre 350 y 400 GeV en el análisis de desintegraciones pp→A → Zγ → llγ (es decir, pp→eeγ, y pp→μμγ).

No se encontrado ningún exceso en los canales pp→A→γγ, y pp→A→WW, luego no puede tratarse del Higgs pseudoescalar predicho por las teorías supersimétricas. Pero hay varias teorías más allá del modelo estándar que predicen un bosón pseudoescalar pesado tipo Higgs (A) que se desintegra con preferencia en A → Zγ, suprimiendo fuertemente los canales A → γγ y A → WW.

El artículo técnico es The CMS Collaboration, “Search for scalar resonances in the 200–500 GeV mass range decaying into a Z and a photon in pp collisions at √s=8 TeV,” CMS-PAS-HIG-14-031, 06 Mar 2015 [PDF CDS]. También recomiendo el estudio previo de The ATLAS Collaboration, “Search for new resonances in Wγ and Zγ Final States in pp Collisions at s√=8 TeV with the ATLAS Detector,” Phys. Lett. B 738: 428-447, 2014, doi: 10.1016/j.physletb.2014.10.002, arXiv:1407.8150 [hep-ex].

Dibujo20150313 Higgs A to Zgamma to llgamma - cms - narrow signal - lhc cern

Por supuesto, el análisis de señales de este tipo requiere usar un modelo teórico para la señal esperada, con el que se compara la señal observada. La figura que abre esta entrada muestra el exceso cuando se asume que la resonancia asociada al bosón pseudoescalar tipo Higgs es ancha (similar a la del propio Higgs del modelo estándar), con una anchura entre el 2-5%. Sin embargo, si se usa un modelo de este tipo pero con una resonancia estrecha, del orden del 1%, esta anomalía reduce su significación por debajo de dos sigmas, como muestra esta otra figura del mismo artículo.

Dibujo20150313 pp to llgamma - to eegamma in top - to mumugamma in bottom - lhc cern

Para ver mejor que el exceso es, casi con toda seguridad, de origen estadístico, basta mirar esta figura. El proceso pp→A → Zγ → llγ corresponde a la desintegración de un bosón pseudoescalar (A) en un bosón Z y un fotón (γ), con el bosón Z desintegrándose a su vez en un par electrón-positrón (ee) o en un par muón-antimuón (μμ). Este canal se estudia gracias a los eventos (sucesos) tipo pp→eeγ (figura de arriba) y pp→μμγ (figura de abajo). En la región entre 350 y 400 GeV se observa un pequeño exceso. Pero la verdad, cuesta verlo si no prestas atención. En mi opinión este exceso tiene un origen puramente estadístico; basta recordar que el efecto LEE (look-elsewhere effect) implica que se esperan fluctuaciones de esta magnitud en un rango de energía de 600 GeV. Como se esperan, encontrarlas no genera ninguna sorpresa.

Dibujo20150313 pp to llgamma - atlas lhc cern

Por supuesto, el artículo técnico de CMS omite hacer referencia a este pequeño exceso y considera que los datos son compatibles con la hipótesis nula (no existe un bosón pseudoescalar tipo Higgs entre 200 y 800 GeV). Más aún, cuando una búsqueda similar realizada por ATLAS en el rango entre 200 y 1180 GeV con 19,7 /fb de colisiones a 8 TeV tampoco encontró ningún exceso.

En resumen, hay muchas pequeñas anomalías en los datos del LHC Run 1 que habrá que seguir en los datos del LHC Run 2. Casi todas desaparecerán y caerán en el olvido. Pero quizás alguna sobreviva. Todos deseamos que el LHC Run 2 descubra algo nuevo que nos guíe hacia una descripción más realista de la Naturaleza.


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