El bosón de Higgs aún buscado en los datos de ALEPH en el LEP2 del CERN

Por Francisco R. Villatoro, el 15 noviembre, 2009. Categoría(s): Bosón de Higgs • Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticias • Physics • Science ✎ 7

Dibujo20091114_higgs_boson_lep2_reanalysis_desintegration_in_four_tau_leptons

La búsqueda del bosón de Higgs continúa. Si el modelo estándar es correcto, el Tevatrón o el LHC acabarán encontrando un Higgs con una masa superior a 114 GeV (límite de exclusión del LEP) en unos 3 o 4 años. ¿Podría estar oculto el bosón de Higgs en los datos almacenados en disco del detector Aleph del ya clausurado LEP2 del CERN? Sí, ya que hay varias posibles desintegraciones que no fueron estudiadas en su momento. Por ejemplo, la desintegración del Higgs en 4 leptones tau (predicha por la supersimetría). Kyle Cranmer de la Universidad de New York y sus colaboradores han buscado esta desintegración en los datos almacenados en los archivos del CERN. Obviamente, no lo han encontrado, sino ya te habrías enterado. Han anunciado los resultados de su estudio en un workshop que ha celebrado los 20 años del detector ALEPH (desmantelado hace 9 años). Sus resultados excluyen esta desintegración para un bosón de Higgs con una masa menor que 105-110 GeV (en función de la masa de una partícula intermedia llamada A). Es realmente curioso que todavía se busque al Higgs en los datos del LEP2. Más aún, hay muchas búsquedas que todavía esperan jóvenes emprendedores que tengan ganas de consumir su valioso tiempo en ellas. Más detalles divulgativos en «Higgs chased away from another hole,» Resonaances, Saturday, 7 November 2009.  Las transparencias de la charla técnica que presenta los resultados del estudio las podéis leer en Kyle Cranmer, Itay Yavin, James Beacham, Paolo Spagnolo, «Searching Higgs decaying to 4 taus,» 20 years of ALEPH data, Nov. 3, 2009. Por cierto, os gustará leer también la charla de Gavin Davies, «Higgs @ Tevatron (?),» 20 years of ALEPH data, Nov. 3, 2009. Aprovecho la ocasión para recordar alguna información sobre el Higgs a los que aún la ignoren.

El modelo estándar de la física de partículas presenta sólo dos tipos de partículas, fermiones (materia) y bosones vectoriales (campos o mediadores de fuerzas). Muchos cursos de teoría cuántica de campos comienzan con el estudio de los bosones escalares. Son las partículas más sencillas (en matemáticas) y no hay ninguna razón física por la cual no deban existir (en teoría). Todavía no se ha observado ningún bosón escalar en ningún acelerador de partículas. ¿Existen los bosones escalares en la Naturaleza? Todo el mundo piensa que sí. El inflatón (la partícula responsable de la inflación cósmica al inicio del Big Bang) y el bosón de Higgs son los dos bosones escalares más estudiados (teóricamente, claro).

El modelo estándar asume que a alta energía el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil son fuerzas idénticas mediadas por 4 bosones vectoriales sin masa, dos neutros (tipo «fotón») y dos cargados. Sin embargo, a baja energía observamos 1 bosón vectorial sin masa, el fotón, y 3 bosones vectoriales con masa, dos cargados, bosones W, y uno neutro, bosón Z. El modelo estándar introduce una ruptura de la simetría a energías intermedias que conduce a la aparición de la masa en dichos bosones vectoriales. La ruptura de la simetría es similar a una transición de fase, como la congelación del agua. El agua es isótropa y homogénea, una molécula de agua está rodeada de moléculas de agua en todas direcciones. Sin embargo, el hielo tiene una estructura cristalina hexagonal, cada molécula está rodeada de cuatro en los vértices de un tetraedro regular. La isotropía (simetría) del agua se rompe en el hielo que presenta una simetría más simple (hexagonal).

Dibujo20091114_higgs_boson_mass_estimates_aleph_lep2_and_tevatron

En teoría cuántica de campos todo son campos o partículas o campo-partículas, que es lo mismo. La ruptura de simetría en la teoría electrodébil es mediada por 4 partículas (campos), en concreto, 4 bosones escalares. A baja energía, la simetría se rompe y 3 de esos bosones escalares desaparecen dotando de masa a los bosones vectoriales W y Z. Sin embargo, el fotón no tiene masa, lo que significa que uno de los bosones escalares permanece a baja energía, es el bosón de Higgs. Esta ruptura de simetría también puede dotar de masa a los fermiones (partículas de materia), tanto leptones (neutrinos y electrones) como quarks. Los detalles teóricos (hay muchas alternativas teóricas) sólo se conocerán cuando se descubra experimentalmente el bosón de Higgs (quizás en el Tevatrón del Fermilab o quizás en el LHC del CERN), si es que se descubre (hay teorías que logran la ruptura de simetría sin ningún bosón de Higgs).

¿Por qué tanto interés en buscar el bosón de Higgs? Por un lado, es una pieza clave del modelo estándar y, por otro, los datos del detector ALEPH en el LEP2 del CERN (figura arriba izquierda) mostraban una evidencia muy fuerte de sus existencia (con una masa entre 114 y 116 GeV). Casi tocaron con la punta de la lengua el bosón de Higgs. Pero el LEP2 tuvo que dejar paso al LHC. Si el bosón de Higgs tiene una masa alrededor de 115 GeV será muy difícil detectarlo en el LHC con lo que el Tevatrón tendrá una oportunidad de oro (aunque en él tampoco es fácil detectarlo con esta masa). Se estima que el Tevatrón Run II funcionará hasta finales de 2011. No se sabe qué pasará más tarde. Los límites de exclusión del bosón de Higgs en el Tevatrón irán bajando desde los 160 GeV actuales (figura arriba derecha), poco a poco, aunque es difícil que bajen tanto como 120 GeV.

Dibujo20091114_higgs_boson_production_at_tevatronDibujo20091114_branching_ratio_standard_model_higgs

 

¿Por qué es difícil observar el bosón de Higgs en el Tevatrón? A las energías del Tevatrón, sólo 1 evento de cada billón será producido por un bosón de Higgs (ver la figura de la izquierda), una sección eficaz (cross section) de menos de 1 pb (picobarn). Aún así las sorpresas son habituales en los grandes aceleradores. La observación de un evento también muy poco probable, un quark top individual (single top en la figura), se logró en marzo de este año (2009). El bosón de Higgs está siendo buscado intensamente en el Tevatrón.

Las posibles desintegraciones del bosón de Higgs con una masa entre 50 y 1000 GeV se presentan en la figura de arriba derecha junto a su fracción de desintegración (branching ration o BR). Para una masa menor de 135 GeV lo más probable es (figura de abajo izquierda) que la colisión de dos quarks produzca un par bosón W y un Higgs (H), desintegrándose el Higgs en un par quark-antiquark de tipo bottom (bb). Para una masa mayor que 135 GeV lo más probable es (figura de abajo derecha) que la colisión de dos gluones produzca un Higgs H que se desintegre en un par WW.

Dibujo20091114_higgs_boson_desintegrations_below_and_above_135GeV_bb_and_WW_resp

Estas desintegraciones más probables según el modelo estándar y otras menos probables han sido buscadas con ahinco en el Tevatrón, pero todavía no se han logrado observar. Además, otras desintegraciones que se observarían si la supersimetría fuera correcta también han sido ampliamente estudiadas en los datos del Tevatrón. El trabajo de Cranmer y sus colegas nos muestra que también están siendo estudiadas en los datos ya almacenados del LEP2.

¡Imaginad que se descubriera un Higgs entre 80 y 90 GeV oculto en los datos del LEP2! Premio Nobel automático.

PS (4 marzo 2010): Una nueva búsqueda de bosones de Higgs supersimétricos de baja masa en los datos del LEP2 basada en su desintegración en 4 leptones tau: ALEPH Collaboration, «Search for neutral Higgs bosons decaying into four taus at LEP2,» ArXiv, 3 Mar 2010, excluye Higgs con masa mh < 107 GeV/c², y 4 < ma < 10 GeV/c², con un intervalo de confianza del 95%.



7 Comentarios

    1. MiGUi, yo escribí hace años un «brevario» sobre el bosón de Higgs en el modelo estándar con motivo del Premio Nobel a Veltman y ‘t Hooft en 1999. Iban a ser 3 partes pero sólo escribí la primera (6 páginas) y parte de la segunda (3 páginas). La primera sobre el mecanismo de Higgs para un bosón escalar acoplado a un campo electromagnético y la segunda para lo mismo pero para un campo isotriplete con invarianza SO(3), faltaba acabar la parte de SU(2). La tercera parte trataría el caso SU(2)xU(1).

      Es algo que viene en todos los libros, pero traté de condensar «todo» en «casi nada» y es posible que el resultado sea ilegible para la mayoría. En cualquier caso, quizás a alguien le interese…

      Generación de la Masa de las Partículas. I: Bosones Escalares de Goldstone y Higgs, 6 páginas.

      Generación de la Masa de las Partículas. II: Teorías de Aforo no Abelianas, 3 páginas.

      Por cierto, para los interesados en recordar (conocer) la teoría de la ruptura de la simetría en su estado actual está muy bien la revisión de Gautam Bhattacharyya, «A Pedagogical Review of Electroweak Symmetry Breaking Scenarios,» ArXiv, Submitted on 27 Oct 2009. Es muy bueno, aunque está pensado para físicos con cierta base mínima en teoría cuántica de campos.

  1. Supersimétricos seamos; y a dos tipos de bosones, vectoriales escalares, ídem de fermiones. Y si fermiones ¿vectoriales? somos todos, todo, ese 5% del Universo al que tenemos acceso, según dicen; ¿fermiones escalares serían (ya habría también dos, como la aparición higgs, que será toda una Aparición, o el fantasma inflatón, que jamàs pasará de esa categoría) la masa-energía de lo llamado materia oscura o/y la masa-energía de lo conocido por materia oscura?
    ¿Para qué la ciencia-ficción tendrìa hoy representantes «literarios» otros que los muy sapiens científicos de partículas o sus homólogos cosmólogos?
    De hecho, como les debe dejar mucho tiempo libre su científica profesión, la mayor parte de los representantes de ese gº son astrónomos físicos.
    Y ya que estamos en los géneros, algo que siempre le fue impuesto de fuera a la verdadera literatura, digamos de esta confusión de la realidad con lo fantástico que ya que se quiso empezada con el archifamoso «El retorno de los brujos», continúa de lo más pujante desde los púlpitos de la física teórica que arrastra (o contamina) con ella a la experimental, o desde los cosmólogos púlpitos.
    Todas estas supersimètricas cuestiones o cuerdísticas, viene a ser aquello que dijo un historiador de la ciencia referente a los físicos de partículas: Es como tener un laboratorio en sus despachos todos estos teóricos, todo ese afán de partículas. Un juego, vamos.
    ¿Y qué se verá en el CERN cuando se vea algo? ¿Quedará ni siquiera el higgs a salvo y con él toda la teoría estándar de la física?

  2. El modelo estándar de las partículas elementales es un desvarió conceptual. Solo complica las cosas sin explicar nada. Su trama conceptual se basa en nada menos que 62 elementos primordiales. Hagamos el recuento: tan solo para dar cuenta de los hadrones, que son las únicas partículas supuestamente compuestas de quarks, necesitan 6 familias de quarks, que poseen 3 colores, lo que da 18 quarks diferentes, mas otros tanto anti-quarks, lo cual da un total de 36 quarks.

    Como si esto fuera poco quedan al margen de este esquema 26 partículas no compuestas de quarks, que son: 12 distintos leptones, 8 tipos de gluones, 3 bosones vectores (W+,W-, Z0), el fotón y el gravitón, lo que suma 26. Por lo tanto en el modelo estándar hay un total 62 elementos primordiales. ¡Vaya poder reductor que tiene este modelo! ¡No éramos pocos y parió la abuela! Y no nos engañemos. Colocar todas estas partículas en dudosas supuestas familias, no reduce su numero.

    Nuestro universo esta construido por tan solo cuatro partículas estables, el protón y el electrón, que le proporcionan su cuerpo material, y el fotón, cuyo papel es el de mensajero (luz), y también el neutrino (que se presenta en 3 formas) y cuyo papel queda aún por definir (aparte de permitir las transiciones de espin ½, que no es poco). También habria que añadir el escurridizo y no-detectado gravitón, encargado de la cohesión gravitatoria. Las supuestas demás partículas no son mas que estados quánticos excitados desvanecentes (entre 10-7 y 10-23 segundos de vida media, son como chispas. ¿Se puede atribuir a un modelo con 62 elementos primordiales algún valor reductor y clarificador?

    Que sigan cabalgando sobre su caballo matemático. A mi me parece que una exagerada dosis de matemática produce alucinaciones. Mejor será que lleven casco, que la caída puede ser dura. No saben diferenciar la ciencia ficción de la física. Cuando todo esto se hunda la física teórica quedara muy desacreditada, pero no cabe duda que lo harán durar todo lo que puedan, ya llevan 50 años contándonos cuentecitos de hadas.

  3. Me ha parecido interesantísimo.
    Hace tiempo que sigo tu blog pero iba más perdido que un pulpo en un garaje, sin embargo esta entrada ha sido muy útil para ubicarme.

    Por cierto, en el segundo párrafo hablas de bosones vectoriales, aunque más adelante te refieres a otros como bosones escalares. Ha sido un cruce de palabras o son cosas distintas?

    Un saludo.

    1. Miguel, son cosas distintas. Los bosones son partículas de espín entero (0 escalares, 1 vectoriales, 2 tensoriales, etc.). El fotón es un bosón vectorial. Los fermiones tienen espín semientero (1/2 como el electrón o los quarks). Sólo se conocen partículas con espín 1 y 1/2. Se han teorizado partículas con espín 0 (bosones escalares como el Higgs), con espín 2 (el gravitón) y con espín 3/2 ciertas supercompañeras en supersimetría. Ninguna de estas partículas ha sido encontrada hasta el momento.

Deja un comentario