El bosón de Higgs tras cinco años de su anuncio

Dibujo20170706 Higgs boson produced via vector boson fusion CMS Run 2 CMS-PHO-EVENTS-2016-007

El 4 de julio de 2012 se anunció el bosón de Higgs en el LHC del CERN. Se observó con cinco sigmas de confianza estadística por dos detectores independientes, ATLAS y CMS. Más aún, en dos canales de desintegración independientes en ambos, la desintegración en dos fotones vía un bucle de tres bosones W y en cuatro leptones vía un par de bosones Z. Más tarde, combinando ATLAS y CMS, se observó en el canal de desintegración en dos leptones tau (alcanzando 5,5 sigmas). El LHC Run 1 determinó que la masa del Higgs es de 125,09 ± 0,24 GeV/c² y que sus propiedades coinciden con las predicciones del modelo estándar, hasta donde se espera que puedan coincidir; hay anomalías, pero todas parecen tener un origen estadístico. Recuerda que en el LHC Run 1 (2010–2012) se acumularon ~5 /fb de colisiones protón contra protón a una energía de 7 TeV c.m. (2010–2011) y ~20 /fb a 8 TeV c.m. (2012).

En el LHC Run 2 ya se ha redescubierto a cinco sigmas el Higgs en ambos detectores y en ambos canales de desintegración del anuncio del 4 de julio; además, se alcanzan 4,9 sigmas en el la desintegración en dos taus. Pronto será observado en el canal de desintegración en dos quarks bottom (donde en el LHC Run 1 solo se alcanzaron 2,6 sigmas), en dos muones y, un poco tarde, en la producción de un Higgs asociado a dos quarks top. Recuerda que en el LHC Run 2, que se inició en 2015 se, han acumulado ~40 /fb de colisiones a una energía de 13 TeV c.m. (2015–2016), y otros ~6 /fb a 13 TeV c.m. desde el inicio de las colisiones el pasado 23 de mayo de 2017.

Quedan muchos análisis por realizar en las colisiones ya acumuladas en el LHC Run 2, además de recabar nuevas colisiones durante este año y el próximo. No se esperan sorpresas en la física del Higgs, aunque nunca se sabe. Más información en Mauro Donegà (on behalf of the ATLAS and CMS collaborations), “Higgs Physics at the LHC,” Invisible 2017, Zürich, 12 Jun 2017 [slides]; Ruchi Gupta (On behalf of the ATLAS Collaboration), “Measurement of Higgs boson couplings and properties in the diphoton, ZZ and WW decay channels using the ATLAS detector,” EPS-HEP2017, Venice, 6 Jul 2017 [slides]; Michael Planer (On behalf of the CMS Collaboration), “The Latest CMS results on Higgs boson decaying to two photons with 13 TeV data,” EPS-HEP2017, Venice, 6 Jul 2017 [slides]; Karolos Potamianos (On behalf of the ATLAS Collaboration), “Measurement of the SM Higgs boson mass in the diphoton and 4l decay channels using the ATLAS detector,” EPS-HEP 2017, 6 Jul 2017 [slides]; y Caterina Vernieri (On behalf of the CMS Collaboration), “Inclusive search for boosted Higgs bosons using H → bb decays with the CMS experiment,” EPS-HEP2017, 6 Jul 2017 [slides].

Dibujo20170706 ggF ttH wz vbf higgs boson lhc xs wg 2016

En las colisiones protón contra protón en el LHC se producen bosones de Higgs mediante cuatro mecanismos básicos. La fusión de gluones, vía un lazo de tres quarks top (gg → ttt → H), el Higgs-Strahlung, vía un bosón W o Z (qq → W* → WH, o qq → Z* → ZH), la fusión de bosones vectoriales (qq → qqWW →qqH, o qq→qqZZ→qqH), y la fusión de quarks top (gg → tttt →ttH), que se muestran en los diagramas de Feynman a la izquierda. En la figura de la derecha se observa la sección eficaz de producción de un Higgs en el LHC, tanto la total (arriba en azul), como la específica a cada uno de los canales de producción anteriores). Otros canales de producción son menos probables o más difíciles de observar en el LHC.

Dibujo20170706 h to ww lnln zz llll gg higgs boson lhc xs wg 2016

Una vez producido un Higgs, cuya vida media en reposo es de una décima de zeptosegundo, se desintegra por diferentes canales. Hay muchos, mostrando la figura de la derecha los nueve más probables en las colisiones del LHC; la figura de la izquierda muestra los canales más importantes para el descubrimiento y sus correspondientes diagramas de Feynman. Permíteme repasar los nueve canales uno a uno. En lo que sigue, siempre que se mencione una pareja de fermiones (quarks o leptones) se refiere a un pareja fermión-antifermión (quark-antiquark o leptón-antileptón); por ejemplo, dos bottom quiere decir un bottom y un antibottom, o dos leptones tau se refiere a un tau y un antitau.

El canal más probable es la desintegración en dos bottom (H → bb), pero su observación es muy difícil porque tiene mucho ruido de fondo en las sucias colisiones del LHC; por cierto, la desintegración en dos top (H → tt) está prohibida porque la masa del Higgs es menor que el doble de la masa del quark top. En el LHC Run I no se ha podido observar el Higgs en el canal dibottom (aunque se ha logrado combinando LHC+Tevatron); uno de los objetivos del LHC Run II es poder observarlo tanto en ATLAS como en CMS de forma independiente.

Le sigue en probabilidad la desintegración en dos leptones cargados y dos neutrinos mediada por dos bosones W, uno de ellos virtual (H → WW* → ννℓℓ, véase el diagrama de Feynman a la izquierda); los leptones suelen ser electrones o muones, y los neutrinos se observan de forma indirecta como una pérdida de energía (lo que dificulta su observación precisa). En el LHC Run I se ha logrado la observación en este canal tanto por ATLAS como CMS; pronto el LHC Run II también lo logrará.

La desintegración en dos gluones vía un lazo de tres quarks top (H → ttt → gg) es casi imposible de ver porque en este canal hay mucho ruido de fondo en el LHC (una máquina de producir quarks top que decaen en multitud de gluones, quarks bottom y quarks charm). Luego sigue la desintegración en dos leptones tau (H → ττ) donde también se ha observado en el LHC Run I y pronto se observará en el LHC Run II. Y la desintegracíon en dos quarks charm (H → cc), también muy difícil de observar en el LHC por el gran ruido de fondo.

Aunque es muy poco probable, el canal mágico para la observación del Higgs (cuya relación señal-ruido es la más alta de todas las posibles) es la desintegración en cuatro leptones mediada por dos bosones Z, uno de ellos virtual l (H → ZZ* → ℓℓℓℓ, véase el diagrama de Feynman a la izquierda); los leptones suelen ser cuatro electrones, cuatro muones, o dos electrones y dos muones. La gran precisión con la que tanto ATLAS como CMS caracterizan las colisiones con electrones y muones de alta energía es la relación de que este canal haya sido protagonista del descubrimiento del Higgs; además, es el mejor canal para determinar la masa, el espín y otras propiedades.

Le sigue el otro canal que ha permitido el descubrimiento, la desintegración en dos fotones mediada por un lazo de tres bosones W (H → WWW → γγ, cuyo diagrama de Feynman se muestra a la izquierda); también contribuye en las colisiones del LHC Run II la mediada por un lazo de tres quarks top (H → ttt → γγ), pero poco en las del LHC Run I. Este canal tiene mucho ruido de fondo, pero los calorímetros electromagnéticos de ATLAS y CMS fueron diseñados para garantizar una alta precisión en la detección de fotones y gracias a ello también ha sido protagonista del descubrimiento del 4 de julio.

El octavo canal es la desintegracíon en un bosón Z y un fotón mediada por un lazo de dos bosones W, o de tres fermiones, o de tres bosones vectoriales (H → WW → Zγ, H → ttt → Zγ, H → bbb → Zγ, H → WWW → Zγ, H → ZZZ → γγ); no fue posible observar el Higgs en este canal en el LHC Run I, pero se espera que la combinación ATLAS+CMS permita su observación en el LHC Run II y que cada detector por separado lo logre en el LHC Run III. Y, finalmente, el último canal de la figura derecha es la desintegración en dos muones (H → μμ), donde se espera que la combinación ATLAS+CMS permita su observación en el LHC Run II.

Dibujo20170706 higgs to gamma gamma cms atlas preliminary lhc run 2

Esta figura muestra los resultados en el canal difotónico obtenidos en el LHC Run II a 13 TeV c.m. por ATLAS (36,1 /fb) y CMS (35,9 /fb). En ambos casos se logran cinco sigmas, lo que garantiza el redescubrimiento del Higgs en este canal.

Dibujo20170706 higgs to zz to four leptons cms atlas preliminary lhc run 2

Los resultados en el LHC Run II para el canal tetraleptónico obtenidos por ATLAS (36,1 /fb) y CMS ( 35,9 /fb) se muestran en esta figura. La señal es una gran belleza y no deja lugar a dudas. Limpia como no puede ser menos para el canal mágico, animo a los lectores a estimar el número de Higgs que se han observado (la parte azul en la figura izquierda de ATLAS y la parte rosada en la figura derecha de CMS). Muy pocos Higgs en este canal, pero sobre un fondo muy pequeño (la parte roja bajo la azul en la figura izquierda y la parte azul y verde bajo la rosada en la figura de la derecha).

Como puedes imaginar en las conferencias científicas se comentan multitud de detalles sobre las desintegraciones con Higgs analizadas que nos aportan información sobre la física de esta partícula. Entrar en más detalles nos llevaría lejos, por ello finalizaré destacando que todo lo que hemos observado sobre el Higgs (tanto en ATLAS y CMS por separado, como sobre todo en su combinación ATLAS+CMS) es compatible con la partícula predicha por el Modelo Estándar. Todas las anomalías que se observan (la mayoría en ATLAS, pero no en CMS, o viceversa) se pueden entender como debidos a fluctuaciones estadísticas propias de los análisis realizados. Sin embargo, los físicos siguen buscando con ansia viva alguna anomalía en la física del Higgs que nos ayude a ver más allá del modelo estándar.


5 Comentarios

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planck

Como pasa el tiempo, recuerdo que justo antes del arranque del LHC las expectativas eran enormes (ahora es evidente que eran muy exageradas y no realistas): además del Higgs se quería descubrir SUSY, partículas de materia oscura, thecnicolor, monopolos magnéticos, partículas de KK, dimensiones ocultas o incluso miniagujeros negros (con la destrucción del mundo y todo incluidos políticos y tertulianos :-)
El Higgs es una pieza clave del SM que es uno de los mayores logros intelectuales de la historia de la humanidad, sin embargo, el SM es una teoría muy “fea” y engorrosa: decenas de parámetros libres que hay que ajustar a mano, familias de leptones “inútiles” por triplicado… ¿que diablos significa esto? Para ver la belleza de la naturaleza hay que ir más allá: lo que estamos viendo es una una teoría efectiva de baja energía, vemos los “restos” derivados de la ruptura de simetría de una teoría mucho mas “bella” y general. Vemos 4 fuerzas que parecen ser “restos” de simetrías más grandes: si aumentamos la energía la fuerza débil y la electromagnética se unifican. Si seguimos aumentando muy probablemente, a la escala GUT se unifiquen 3 de las 4 y finalmente, para incluir la gravedad y todos sus grados de libertad tenemos que recurrir a grupos como E8 y SU(32). Esto parece indicarnos que estamos viendo los restos de baja energía de una misma cosa, de algún componente fundamental de la naturaleza. Además conocemos una entidad que parece fundamental, que se describe con los grupos grandes anteriores y que incluye en sus diferentes oscilaciones de diferente energía todas las partículas conocidas incluida la gravedad. ¿Casualidad? Creo que la mayoría de Físicos responderían con un NO rotundo.
Necesitamos Físicos y Matemáticos ingeniosos que diseñen experimentos para poder encontrar entre los “restos” a nuestro alcance pistas del “más allá”: ondas gravitatorias, resonancias de KK, bosones Z´, desintegración del protón, partículas de materia oscura, rayos cósmicos, cuerdas cósmicas, nuevos aceleradores… tiene que existir alguna forma de comprobar la verdadera belleza de la naturaleza y llegar a ver el puzzle completo incluyendo las piezas más esquivas: las que nos hablan de la verdadera naturaleza del espacio y el tiempo. Una cosa está clara: si existe la forma de hacerlo la ciencia la encontrará…
PD: Perdón por mis perolatas, no consigo hacer comentarios breves, la emoción me puede :-)

Gelbros J3Gelbros J3

No te preocupes, Planck, es seguramente esa ansia viva a la que se refería Francis. :)

Alvaro VerdionAlvaro Verdion

Que cabrones los fisicos que no buscan las teorias de todo. Solo mierdas de teorias que responden a preguntas concretas

planck

Yo no he dicho que el SM sea una mierda ni mucho menos, de hecho he dicho que es sin duda uno de los logros más grandes del conocimiento humano. Solo quería decir que con toda seguridad hay muchos fenómenos físicos apasionantes más allá del SM y que sería una pena que la Física experimental no encuentre pistas de ellos.

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