Si existe una cuarta generación de quarks, los experimentos CDF y DZero del Tevatrón excluyen un bosón de Higgs con una masa entre 131 y 204 GeV/c²

Por Francisco R. Villatoro, el 20 mayo, 2010. Categoría(s): Bosón de Higgs • Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 1

No hay evidencia experimental de que exista una cuarta generación de quarks y leptones, pero no podemos descartar que exista fuera de los límites de energía explorados por los experimentos del Tevatrón en el Fermilab, Chicago. Bajo esta hipótesis, combinando los datos de los dos experimentos CDF y DZero se puede excluir la existencia del bosón de Higgs del modelo estándar en el rango de masas de 131 a 204 GeV/c² con una confianza del 95%. Han estudiado el proceso gg → H → W+W, en el que un par de gluones colisionan produciendo un Higgs que decae en un par de bosones vectoriales W. El límite de exclusión considera 4’8 /fb de colisiones protón-antiprotón estudiadas en el experimento CDF y 5’4 /fb en DZero. El artículo técnico es T. Aaltonen et al (CDF and DZero Collaborations), «Combined Tevatron upper limit on gg->H->W+W- and constraints on the Higgs boson mass in fourth-generation fermion models,» ArXiv, 18 May 2010.

La ruptura de la simetría electrodébil, SU(2) × U(1), es una parte fundamental del Modelo Estándar de partículas elementales que depende fuertemente de fenómenos de alta energía que todavía no han sido explorados en los grandes colisionadores de partículas. Si existe una cuarta generación de fermiones, quarks y leptones, con masas más allá de las energías alcanzables en la actualidad, se modifica el ajuste de los parámetros de los parámetros del modelo estándar que se ha obtenido con el estudio de todas las colisiones observadas en el Tevatrón del Fermilab. Los resultados experimentales de LEP-II y el Tevatrón indican que sólo existen tres generaciones de fermiones si la masa del neutrino de cuarta generación es menor de 45 GeV/c². Si el neutrino de cuarta generación tiene una masa mayor, no se puede excluir la existencia de una cuarta generación de fermiones. La masa del bosón de Higgs depende fuertemente de la masa del quark más masivo, en la tercera generación es el quark t (top). Si los dos quarks de cuarta generación tienen una masa mayor que la del bosón de Higgs, el acoplamiento ggH (gluón-gluón-Higgs) en el Modelo Estándar crece en un factor de 3, ya que cada quark de cuarta generación contribuye aproximadamente en la misma cantidad que el quark top. Para bosones de Higgs ligeros, mH ≈ 110 GeV/c², la producción de un Higgs en una colisión gluón-gluón, gg → H, es 9 veves mayor, y para Higgs pesados, mH ≈ 300 GeV/c², es 7’5 veces mayor. En el rango de masas mH> 135 GeV/c², la desintegración dominante del Higgs continúa siendo en un par de bosones vectoriales W, es decir, H → W+W, proceso ampliamente estudiado en los dos experimentos CDF y DZero del Tevatrón.

El nuevo estudio considera dos escenarios posibles. Por un lado, una cuarta generación con leptones ligeros («4G (Low Mass)» en la figura de arriba): un neutrino de cuarta generación con una masa mν4 = 80 GeV y un leptón cargado («electrón» pesado) con mℓ4 = 100 GeV. Por otro lado, una cuarta generación de leptones muy pesados («4G (High Mass)» en la figura de arriba), con mν4 = mℓ4 = 1 TeV. En ambos casos se ha supuesto que la masa de los quarks es md4 = 400 GeV para el cuarto quark tipo «down» y mu4 = md4 + 50 GeV + 10 log (mH/115 GeV) GeV para el cuarto quark tipo «top.» Utilizando estos dos escenarios, se ha obtenido la gráfica que abre esta entrada seleccionando el peor de ambos escenarios, el que menos limita la masa del Higgs. El resultado, mostrado en la figura de arriba, indica que las colisiones observadas en CDF y DZero permiten excluir, para el bosón de Higgs del Modelo Estándar, el rango de masas 131 – 204 GeV/c² para una cuarta generación ligera y entre 131 – 208 GeV/c² para una cuarta generación pesada. Los autores del artículo indican que calculando los límites de exclusión utilizando un método diferente, basado en medianas en lugar de en medias, se pueden excluir los intervalos de masa 125 – 218 GeV/c² y 125 – 227 GeV/c², respectivamente. Finalmente, el artículo nos recuerda que estudios teóricos previos permiten excluir un bosón de Higgs con una masa superior a 300 GeV/c², si existe una cuarta generación de quarks.



1 Comentario

  1. si son corectos lo modelos utilizadossi el higgs tienen entre 140 y 180 GeV /c2 es muy poco probable que tengamos otra generación de quarks-laptones

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