La cuarta generación de quarks y leptones y el bosón de Higgs

Por Francisco R. Villatoro, el 19 marzo, 2010. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Physics • Science ✎ 1

Una cuarta generación de quarks con un quark menos pesado de unos 450 GeV/c² podría existir oculta en los datos del Tevatrón del Fermilab y sería fácilmente detectable por el LHC del CERN en su primer año de operación. Si existiera un séptimo quark, los resultados actuales del Tevatrón permiten excluir el bosón de Higgs en el rango de masas de 130 a 200 GeV/c², es decir, el bosón de Higgs tendría con alta probabilidad una masa “baja” entre 114’4 y 130 GeV/c², justo la masa que hace que el descubrimiento del Higgs en el LHC sea lo más tardío que se puede imaginar. Ya os lo conté en mi reciente entrada “La masa del bosón de Higgs es menor de 130 GeV/c² si existe una cuarta generación de quarks,” del 14 Marzo 2010. He añadido una extensa apostilla a dicha entrada que os recomiendo aprovechando un artículo de Tommaso Dorigo de hoy mismo sobre el mismo tema. El artículo de Tommaso apunta, como no, a artículos suyos anteriores sobre la cuarta generación de partículas elementales, así que me permito el lujo de resumiros en español “Thou shalt have three generations,” A Quantum Diaries Survivor, March 25, 2008, cuya lectura os recomiendo encarecidamente. Permitidme algunos detalles más al respecto de este apasionante tema: la cuarta generación de quaks.

La existencia de tres generaciones de quarks fue predicha por los teóricos mucho antes de que fuera descubierta. De hecho, el Premio Nobel de Física de 2008 a Kobayashi y Maskawa reconoce su predicción en 1971 de que con dos generaciones de quarks no es posible predecir la asimetría materia-antimateria mediante la violación de la simetría discreta CP, pero con tres sí es posible. Rápidamente el experimento ratificó esta predicción. En 1974 se descubrió el quark encanto (c o charm), el quark más pesado de la segunda generación. En 1975 se descubrió el leptón tau, el electrón pesado de segunda generación. En 1977 se descubrió el quark fondo (b o bottom), el quark menos pesado de la tercera generación. En 1994 se descubrió el quark cima (t o top), el más pesado de la tercera generación. Y finalmente en el 2000 se descubrió el neutrino tau (el neutrino de la tercera generación).

Tres es un número “mágico” en el Modelo Estándar de las partículas elementales. Hay tres generaciones de partículas. Tres son los “colores” (cargas de color) de los quarks. La carga eléctrica del electrón es el triple que la carga electrón de los quarks tipo “abajo” (d, s, y b). ¿Meras coincidencias? Nadie lo sabe. ¿Podría haber una cuarta generación de partículas? ¿Y por qué no? ¿Y una quinta? Y ya puestos a pedir, ¿infinitas? Este último caso ocurriría si los quarks fueran partículas compuestas de partículas más elementales (teoría del technicolor y sus variantes).

La evidencia experimental indica que sólo hay tres generaciones. Los resultados conjuntos de los detectores del LEP (Large Electron-Positron) del CERN, Aleph, Delphi, L3, y Opal, que detectaron millones de bosones Z, indican que la anchura de su curva de resonancia muestra que sólo hay 3 generaciones de neutrinos. Si hubiera un neutrino de cuarta generación el pico de la resonancia sería más estrecha. Si existe un cuarto tipo de neutrino tiene que ser un neutrino estéril, que no interactúe mediante la fuerza débil con el bosón Z. Por cierto, hay cierta evidencia de que pueden existir este tipo de neutrino.

LEP además de medir la resonancia del bosón Z también midió todos los parámetros del Modelo Estándar y son compatibles con tres generaciones de partículas pero no cuatro. La única partícula aún no detectada del Modelo Estándar, el famoso bosón de Higgs, es la que más podría verse afectada por una cuarta generación de partículas elementales de masa suficientemente grande como para que LEP no hubiera notar su existencia.

En los colisionadores de hadrones, como el Tevatrón y el LHC, la mayoría de los bosones de Higgs se producen por fusión de gluones. Los gluones no tienen masa, luego no están acoplados con el Higgs. Lo que ocurre es que los dos gluones generan un bucle cerrado de fermiones, que sí tienen masa, y este bucle se materializa en un Higgs. Este proceso tiene una probabilidad mayor conforme aumenta la masa del fermión que constituya el bucle cerrado. Con tres generaciones de partículas, el bucle más frecuente es el formado por tres quarks cima (top). Si existiera una cuarta generación de partículas, con un quarks más pesados, se incrementará la tasa de producción de Higgs en el Tevatrón y en el LHC gracias a que la fusión de gluones incrementaría su probabilidad en un factor de diez [1]. Tanto el Tevatrón como el LHC observarían este incremento en la tasa de producción de Higgs (si es que existe esta partícula), incluyendo fenómenos tan curiosos como la producción simultánea de un par de bosones de Higgs (lo que permitiría determinar con precisión y de forma directa el acoplamiento no lineal entre estos bosones).

[1] Graham D. Kribs, Tilman Plehn, Michael Spannowsky, Tim M.P. Tait, “Four Generations and Higgs Physics,” Phys. Rev. D 76: 075016, 2007 [ArXiv preprint, 26 Jun 2007].

La figura muestra la fracción de de los posibles estados finales de desintegración del bosón de Higgs en función de su masa suponiendo que hubiera una cuarta generación de fermiones (quarks y leptones). La curva de color morado muestra la desintegración del Higgs en un par de gluones, H→gg, desintegración prácticamente “invisible” en los colisionadores de hadrones y que crece enormemente gracias a la existencia de una cuarta generación de quarks. Si el bosón de Higgs tiene baja masa, el LHC del CERN seguramente detectará esta partícula gracias a su desintegración en un par de fotones, H→γγ, cuya probabilidad es menor de 2 por 10000 en este escenario (10 veces menor que si no hay una cuarta generación de quarks). Un bosón de Higgs del Modelo Estándar de una masa entre 114’4 y 130 GeV/c² será extremadamente difícil de detectar en el LHC del CERN. En el peor caso, un Higgs con una masa de unos 115 GeV/c² se requerirán muchos años de toma de datos experimentales, que irán excluyendo la masa del bosón en un intervalo que cada vez más cercano, por la parte baja a 115 GeV/c².

Buenas y malas noticias. Las malas noticias primero, si existe una cuarta generación de quarks será difícil encontrar el bosón Higgs. Las buenas noticias, si existe una cuarta generación de quarks, relucirán en los resultados del LHC del CERN que por primera vez en la historia romperá el “mal fario” europeo: los bosones se descubren en Europa y los fermiones en EEUU. Quizás en las navidades de este año celebremos, entre otras cosas, que un séptimo quark ha sido descubierto en el LHC del CERN.



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