¿Cómo será observado el bosón de Higgs? Depende, todo depende, de qué depende … del «sector electrodébil» del Modelo Estándar

Caso de que el bosón de Higgs sea descubierto en el LHC (del CERN) a finales de este año, ¿cómo será observado? La respuesta la tiene el mecanismo «exacto» de la ruptura de simetría electrodébil en el Modelo Estándar de partícula elementales. Créetelo, ¡¡ los físicos no tienen ni idea !! Una de las «funciones» más importantes del LHC será aclarar este mecanismo. Preguntas como ¿existen los bosones de Higgs? ¿qué masa tienen? ¿cuántos bosones de Higgs hay? tendrá una respuesta próximamente.

Se acaba de publicar un artículo «resumen» de lo que sabe sobre el Higgs (lo confieso, no me lo he leído entero, demasiado técnico para mí): Abdelhak Djouadi, «The anatomy of electroweak symmetry breaking. Tome I: The Higgs boson in the Standard Model,» Physics Reports 457: 1-216 (2008). Si os atrevéis a leeros el paper … http://arxiv.org/abs/hep-ph/0503172

La observación del Higgs será a base de observar los «residuos» de sus decaimientos. Las desintegraciones más probables dependen de su masa. Las más importantes son las que aparecen en la siguiente figura sacada del anterior artículo (obtenida mediante simulaciones numéricas del Modelo Estándar utilizando el programa FORTRAN: HDECAY).

El eje de las ordenadas (vertical) muestra la sección eficaz de la desintegración (más o menos, la probabilidad de que se produzca dicha desintegración y sea observada) y el eje de las abcisas (horizontal) muestra la masa en reposo de la partícula de Higgs en GeV (giga (miles de millones) de electrón voltio, recuerda que un electrón tiene una masa de 0.51 MeV = 0.00051 GeV y que un protón tiene 938 MeV = 0.938 GeV, es decir, más o menos 1 GeV es la masa de 1 protón).

Consideremos tres regiones de posibles masas: (1) masa «baja», entre 110-130 GeV, (2) masa «intermedia», entre 130-180 GeV, y (3) masa «alta» entre 180-1000 GeV.

(1) Masa «baja», entre 100-130 GeV, el modo principal de desintegración del Higgs es en un mesón formado por un quark b (bottom) y un antiquark b (anti-bottom), con un probabilidad del orden del 75%. Los demás modos de desintegración tienen probabilidades inferiores al 10%. Es interesante la desintegración en un par de gluones (partículas portadores de la fuerza nuclear fuerte que unen a los quarks entre sí) con una probabilidad del 7% para una masa de 120 GeV. 

(2) Masa «intermedia», entre 130-180 GeV, los dos modos principales de desintegración son en un par de bosones vectoriales W o un par de Z (bosones portadores de la fuerza nuclear débil, responsables por ejemplo de la desintegración beta de un neutrón, la radioactividad beta, que produce un antineutrino). La desintegración en dos W tiene una probabilidad cercana al 100%.

(3) Masa «alta», mayor de 2 veces la masa del bosón vectorial Z: 2/3 de las veces, el Higgs se desintegra en dos W, y 1/3 en dos Z; para masas superiores a 350 GeV se abre el canal de la desintegración en un mesón con quark top y antiquark top, aunque con probabilidad pequeña.

Pero, para observar la desintegración de Higgs, primero hay que producirlo. ¿Cómo se pueden producir Higgs en el futuro LHC? En él se harán colisionar dos nucleones (un par de protones, colisión pp) que tendrán que producir el Higgs y algo más (la X en la figura). La figura de arriba muestra las secciones efectivas de producción de Higgs en el LHC a máximo rendimiento (cuando en los choques de protón-protón se involucren 14 TeV, tera o billón de electrón voltios). Se han utilizado varios programas Fortran, como NLO, V2HV, HIGLU, etc. (todos de dominio público, por cierto).

Lo más probable es que se produzca un Higgs en la colisión entre dos gluones fuertemente energéticos seguida por la producción de un Higgs y un par de quarks. Como se observa en la figura, todas las curvas decrecen conformen aumenta la masa del Higgs, con lo que la probabilidad de que el LHC lo encuentre disminuye conforme la masa de éste aumenta. 

En el rango de masas favorecido por los datos de precisión obtenidos en el LEP2 en el CERN, rango de 100-250 GeV, grosso modo, el proceso dominante de producción del Higgs es la fusión de dos gluones. Para las luminosidades esperadas en el LHC este proceso permitirá obtener un gran número de Higgs, se espera así al menos.

La figura de arriba muestra las secciones de producción de Higgs en colisiones protón-antiprotón como las que se observarán en el Tevatrón (se ha considerado su estado dentro de un par de años, cuando alcance los 2 TeV de energía en el centro de masa de la colisión). El mecanismo más relevante asociado a la producción del Higgs es su producción acompañada de un bosón Z, 1.5 veces más probable que acompañado de un W (para una masa del Higgs de 250 GeV). Nótese que la curva discontinua azul, desintegración acompañada de neutrinos, será de difícil observación en la práctica.

En las figuras de arriba se han realizado los cálculos suponiendo la operación del LHC y del Tevatrón a luminosidad máxima (es decir, cuando el número de partículas por unidad de área y de tiempo del detector y por la opacidad del detector es máxima). Este parámetro depende de la calidad del diseño de los detectores en un acelerador de partículas.

Muchachos del LHC (no corran tanto por los pasillos con temor a que pase «algo» cuando lo arranquen),

¡¡ Suerte muchachos !!



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 25 abril, 2008
Categoría(s): ✓ Bosón de Higgs • Ciencia • Física • LHC - CERN