Más sobre las posibilidades de descubrir el bosón de Higgs en el LHC del CERN

Estimar las posibilidades de que el LHC del CERN (o sus detectores principales, ATLAS y CMS) encuentren el bosón de Higgs en los próximos años no es fácil. La imaginación de 5000 mentes brillantes puede producir grandes avances en las estrategias de análisis de los datos experimentales que podrían dejar obsoleta cualquier predicción. Aún así, la figura de la izquierda muestra las expectativas, a priori, de encontrar el bosón de Higgs del modelo estándar en el detector ATLAS (con colisiones a 14 TeV c.m.) para cuatro posibles desintegraciones en función de la masa del bosón (eje horizontal) y la luminosidad integrada en inversos de femtobarn (eje vertical). La línea continua en la región de color celeste corresponde a un descubrimiento definitivo (a 5 sigma). El LHC alcanzará 1 inverso de femtobarn de colisiones a 7 TeV c.m. a finales de 2011, lo que permitirá excluir un Higgs en el rango aproximado de 136 a 190 GeV/c² (en el caso de que la partícula tenga una masa diferente o si no existe) combinando los resultados de ATLAS y CMS (más o menos la zona rayada en la parte inferior de la figura), es decir, a 2 inversos de femtobarn. Esta predicción puede ser optimista o pesimista pero habrá que esperar un año y pico para saberlo. Lo más interesante de esta figura es que si el bosón de Higgs tiene una masa por debajo de 120 GeV/c², la confirmación definitiva de su existencia requerirá unos cuantos años más. La figura se corta a 10 inversos de femtobarn, que no se alcanzarán en el LHC antes del verano de 2014 (combinando ATLAS y CMS). Si esta figura es una buena estimación y el Higgs tiene una masa alrededor de 115 GeV/c², el descubrimiento definitivo se obtendrá después del verano de 2016 (cuando el LHC haya acumulado unos 30 inversos de femtobarn de colisiones). Si todo va bien y se cumplen las expectativas actuales sobre el correcto funcionamiento del LHC del CERN. Para algunos de vosotros el verano de 2016 puede parecer una fecha muy lejana, pero para una máquina como el LHC un lustro no es nada (máxime cuando ya se está hablando del HL-LHC para 2021 y del HE-LHC para 2031 con dos haces a 16’5 TeV cada uno). La figura está extraída de las diapositivas de la charla de Chiara Mariotti (INFN, Turín), “Higgs boson searches in ATLAS and CMS,” LHC Days in Split, 4-9 October, 2010. Más información sobre el Higgs en el LHC en el blog de Tommaso Dorigo, “LHC Higgs Reach In 2011,” A Quantum Diaries Survivor, October 8th 2010, cuya apuesta es que estas figuras son estimaciones pesimistas y el buen trabajo de todos los miembros de las colaboraciones ATLAS y CMS logrará mejorar y mucho las posibilidades de descubrir el Higgs en el LHC antes del verano de 2016 (quizás a finales de 2014). Se incluirán nuevos canales de desintegración del Higgs y se mejorarán los algoritmos de análisis y discriminación de eventos.

Las figuras que ilustran la búsqueda del bosón de Higgs en grandes aceleradores son de dos tipos: las que muestran las posibilidades de excluir un bosón a cierta masa y las que muestran las posibilidades de un descubrimiento a dicha masa. La figura de la izquierda es del primer tipo y la de la derecha, del segundo. La figura de la izquierda muestra la estimación del intervalo de exclusión de masas para el bosón de Higgs que se puede esperar en el detector ATLAS del LHC a 7 TeV c.m. Como se observa, se espera poder excluir el intervalo de masas de 136 a 190 GeV/c². El resultado de combinar ATLAS + CMS mejorará poco el límite inferior, pero bastante más el superior, donde el Tevatrón no puede competir con el LHC. Estas figuras han de ser leídas con cuidado. Una fluctuación estadística en los datos a finales de 2011 de solo 1 sigma reduciría mucho el intervalo de masas obtenido (ver la línea superior de la banda verde e inferior de la amarilla). La figura de la derecha muestra la posibilidad de descubrir un Higgs en el otro detector, CMS, en función de la masa del Higgs para dos técnicas de análisis diferentes. Un descubrimiento requiere 5 sigma y a finales de 2011 es imposible lograrlo ya que el Tevatrón ha excluido la región de masas en la que se podría dar (alrededor de 160 GeV/c²). Aún así, en CMS se podrá obtener evidencia de la existencia del Higgs en el intervalo de masas de 150 a 180 GeV/c², aunque los resultados del Tevatrón no son muy halagüeños en esta región.

¿Para qué sirve excluir la existencia del Higgs en ciertos intervalos de masa? Para entender mejor la paja en la que se tendrá que encontrar la aguja, es decir, para entender mejor las colisiones del fondo (background) o ruido en el que se ocultará la señal del Higgs. Cuantas más colisiones tipo Higgs se analicen sabiendo que no corresponden a un Higgs, mejor se podrán afinar las técnicas de discriminación entre eventos tipo Higgs y eventos de fondo. Estas técnicas se afinan gracias a las simulaciones de tipo Montecarlo, que asumen ciertas hipótesis, por lo que observar las colisiones de fondo mediante el experimento, sin hipótesis alguna, es un primer paso muy importante para la búsqueda definitiva.

Una pregunta que muchos lectores se estarán haciendo ahora es si se pueden combinar los resultados del Tevatrón y del LHC para mejorar los límites de exclusión o las posibilidades de un descubrimiento. La respuesta es sencilla, sí, se pueden combinar, pero la combinación mejora poco los resultados. Como nos recuerda Tommaso en su entrada, la sensibilidad crece, grosso modo, con la raíz cuadrada del número de experimentos.



3 Comentarios

  1. Bien, en el caso de que el Higgs estándar no exista en ese rango de masas, será interesante ver que LHC confirma los resultados que ya habrá dado para el verano del próximo año el Tevatron.

    De hecho, el Tevatron puede excluir, para esas fechas, en el rango de 100 a 180 GeV, o sea por debajo de la masa alcanzable por el LHC, pero sin llegar a 190 GeV.

    Pero hay otra complementariedad muy importante y es que el tevatron, a baja masa, analiza la desintegracion del Higgs a b-antib,esencialmente, mientras LHC lo hace a 2 fotones. Por tanto, si los resultados no concordasen sería indicio de nueva física no estándar

    1. Karearea, no conocía la historia de la burra de Balaam. Lo que sí es bien conocido en el campo de la etología animal es que muchos animales domésticos (perros, burras, patos, etc.) perciben/intuyen a las personas “malas” o que se quieren aprovechar de nosotros mucho mejor que nosotros mismos. Konrad Lorenz, Premio Nobel de Medicina en 1973, estudió con mucho detalle estos comportamientos animales. Recomiendo su obra “El anillo del rey Salomón (Hablaba con las bestias, los peces y los pájaros).”

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 10 octubre, 2010
Categoría(s): ✓ Bosón de Higgs • Ciencia • Física • LHC - CERN • Physics • Science
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