El redescubrimiento del Higgs en LHCb durante el LHC Run 2

Dibujo20150318 higgs boson to tau tau - exclusion plot - lhcb lhc cern

El bosón de Higgs ha sido descubierto en los detectores ATLAS y CMS del LHC en el CERN. Entre los otros cinco detectores del LHC sólo podemos esperar que LHCb redescubra el Higgs en el LHC Run 2. El detector Large Hadron Collider Beauty (LHCb) está diseñado para estudiar los mesones B (partículas compuestas de quarks bottom), pero también puede detectar con precisión las desintegraciones con leptones tau (τ). Gracias a ello podrá redescubrir el Higgs en el canal de desintegración H → ττ, porque el canal H → bb tiene una relación señal/ruido pésima. Más tarde podrá detectarlo también en los canales HW → bb+lν, y HZ → bb+ll.

Hasta ahora sólo se ha publicado la búsqueda del Higgs en LHCb en el canal H → ττ usando colisiones a 7 TeV c.m. del LHC Run 1 (figura que abre esta entrada). Aún está lejos de un descubrimiento. La búsqueda para colisiones a 8 TeV c.m. aún no ha sido publicada, pero tampoco permitirá un redescubrimiento del Higgs. Habrá que esperar al análisis de las colisiones del LHC Run 2, es decir, hasta el verano de 2018. Aún así, será una gran noticia que se adelante este redescubrimiento a finales de 2017.

Más información en Philip Ilten, “Electroweak and Higgs Measurements Using Tau Final States with the LHCb Detector,” PhD thesis [255 pp], CERN-THESIS-2013-252, arXiv:1401.4902 [hep-ex]; Julien Rouvinet, “Title Search for (Higgs-like) bosons decaying into a pair of long-lived exotic particles in the LHCb experiment,” PhD thesis [117 pp], CERN-THESIS-2014-081.

El artículo ya publicado es LHCb collaboration, “Limits on neutral Higgs boson production in the forward region in pp collisions at s√=7 TeV,” Journal of High Energy Physics 2013: 132, 2013, doi: 10.1007/JHEP05(2013)132, arXiv:1304.2591 [hep-ex].

Dibujo20150318 lhcb - schema - lhc cern

El detector LHCb es un detector situado en el punto 8 del túnel del LHC (donde estuvo el detector DELPHI en el LEP). Tiene ∼ 20 metros de largo (eje z) y unos ∼ 10 metros de ancho (ejes x e y). LHCb está optimizado para estudiar la física de los hadrones B, formados por algún quark bottom. El objetivo es la violación de la simetría CP y otros fenómenos raros en estos hadrones. Como la gran parte de los bosones de Higgs producidos en el LHC (del orden del 30%) se emiten en ángulos polares pequeños, cabría esperar qeu sus productos deberían ser fácilmente observables por LHCb (que acepta pseudorrapideces entre 1,8 < η < 4,9).

Dibujo20150318 representation higgs decay bottom-antibottom - hadronization b-jets

Los hadrones B tienen una vida media corta, τB ∼ 1,5 × 10−12 s, luego se observan como chorros hadrónicos. La desintegración más probable de un Higgs con 125 GeV es en una pareja de quarks bottom H → bb (un par bottom-antibottom). Sin embargo, este canal tiene mucho ruido en todos los detectores del LHC, ya que se producen un enorme número de pares bb en cada cruce de haces de protones. Por ello, observar la desintegración de un Higgs en un par bottom-antibottom en el detector LHCb es casi imposible. La relación señal/ruido es pésima (el fondo de ruido, los sucesos que producen pares bb, es enorme).

Dibujo20150318 higgs production and decay - lhcb

En el detector LHCb se pueden detectar los chorros hadrónicos asociados a los quarks bottom producidos por el bosón de Higgs si se aprovecha la producción conjunta con un bosón vectorial, un par HW o uno HZ. La razón es que los leptones (sobre todo muones y electrones) en la desintegración del bosón W o Z producido junto al Higgs es fácil de detectar y permite mejorar mucho la relación señal/ruido (el número de eventos de ruido se reduce muchísimo). Por supuesto, los canales HW → bb+lν, y HZ → bb+ll, también tienen un fondo de ruido, los sucesos ZW → bb+lν, y ZZ → bb+ll, entre otros. Aún así la relación señal/ruido es muchísimo mejor que en la detección vía el canal H → bb.

En resumen, el redescubrimiento del Higgs en LHCb será una de las grandes noticias del LHC Run 2. Pero será necesario esperar a que se acumule un buen número de colisiones a 13 TeV c.m. Alcanzar cinco sigmas para el Higgs en LHCb se logrará en algunos años. Estaremos atentos.


2 Comentarios

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GabrielGabriel

¿Hacen falta 5 sigmas para redescubrir el Higgs? Si ya sabes que existe un Higgs no tenemos el “look-elswhere effects”.

Francisco R. Villatoro

Gabriel, ¿hace falta reconstruir el Higgs? Con el Higgs se seguirá hablando de “descubrimiento = 5 sigmas”, pero con la SUSY, debido al LEE, mismo habrá varias falsas alarmas y habrá que elevar el número sigmas para proclamar un descubrimiento.

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