Hacia el descubrimiento del Higgs en el LHC gracias al espectro de difotones

El descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC del CERN si, como muchos esperamos, tiene una masa baja entre 114 y 120 GeV/c², se obtendrá gracias a su desintegración en un par de fotones (H →γγ). En el experimento ATLAS sólo se han observado 83 eventos candidatos en este canal tras el análisis de 37/pb de colisiones protón-protón a √s=7 TeV durante el año 2010. Aunque se observa un ligero exceso en el intervalo de energía entre 115 y 120 GeV, como muestra el espectro de difotones de la figura que abre esta entrada, lo más importante es comprobar que los detectores y las técnicas de análisis están funcionando mejor de lo esperado y han permitido obtener una aproximación de gran calidad del fondo de ruido debido al modelo estándar para este canal de desintegración del Higgs. Da gusto comprobar que las técnicas de análisis del canal más prometedor, en mi opinión, están listas para un descubrimiento del Higgs en los próximos dos años (o a excluir el rango de masas entre 114 y 140 GeV/c² en su defecto). Nos lo cuentan en The ATLAS collaboration, «Measurement of the backgrounds to the H→gg search and reappraisal of its sensitivity with 37 pb^−1 of data recorded by the ATLAS detector,» ATLAS NOTE, CERN, February 8, 2011.

En el intervalo entre 110 y 120 GeV/c² para la masa del bosón de Higgs del modelo estándar, el canal de descubrimiento más prometedor es su desintegración en un par de fotones. La sensibilidad para este canal en los experimentos del LHC del CERN requiere determinar el fondo (background) esperado según el modelo estándar. Esta sensibilidad se había determinado gracias a simulaciones de Montecarlo (mediante programas de ordenador), lo que sufre de grandes incertidumbres. La mejor manera de determinar esta sensibilidad es gracias al experimento y los datos de las colisiones obtenidos por el experimento ATLAS durante 2010, aproximadamente 37 /pb (inversos de picobarn) de colisiones protón-protón con una energía de 7 TeV c.m. (teraelectrónvoltio en el centro de masas), son ideales para lograrlo. Y el resultado es sorprendente, la sensibilidad del experimento ATLAS es mejor de la esperada en teoría.

En el análisis se han tomado los 75438  eventos de gran calidad en los que se han observado dos fotones cada uno con una energía superior a 15 GeV. Se han aplicado varios criterios que cumplirían estos eventos si los pares de fotones fueran resultado de la desintegración de un Higgs: que los fotones provengan de la parte central del detector (reduce los eventos a solo 8091 eventos candidatos), que uno de los fotones tenga más de 40 GeV (sólo 286 candidatos) y que la masa invariante total de ambos fotones esté en el intervalo entre 100 y 150 GeV (finalmente sólo 83 eventos candidatos). Los candidatos finales se han comparado con lo esperado según el modelo estándar gracias a los programas de ordenador DIPHOX y ResBos (se desintegran en dos fotones algunos mesones neutros como el pión neutro y el mesón eta). Por ahora el resultado es pobre, son muy pocos datos de colisiones, pero muy prometedor. Basta notar que el resultado obtenido como límite de exclusión para la masa del Higgs usando sólo este modo de desintegración es similar al obtenido por el experimento CDF del Tevatrón con 5’4 /fb de colisiones (150 veces más datos, aunque de colisiones protón-antiprotón a 1’96 TeV c.m.), como nos contó Krisztian Peters, «Search for Standard Model Higgs boson in gamma gamma final state at the Tevatron,» ICHEP 2010, 23 Jul. 2010.

Durante 2011 se espera que el LHC acumule entre 1 y 3 /fb de colisiones (yo creo que el valor estará más próximo a este último valor), lo que significará multiplicar por cien el número de eventos candidatos de dos fotones para el Higgs. Lo que nos deparen estas colisiones no se sabrá hasta febrero o marzo de 2012, pero muchas esperanzas están puestas en este canal de desintegración, en el que el Tevatrón no es ninguna competencia contra el LHC.

Como nos ha recordado Philip Gibbs en «LHC cooled down for 2011 run,» February 11, 2011, el sistema criogénico del LHC ya ha enfriado los imanes superconductores a 1’9 Kelvin y está listo para empezar con las colisiones el próximo 21 de febrero. El plan para este año es empezar alcanzando la luminosidad pico récord del año pasado, 0’2/nb/s, lo más rápido posible (finales de marzo como muy tarde). Una vez logrado se reducirá el espaciado entre los paquetes de protones a la mitad (en lugar de inyectarlos cada 150 ns como el año pasado se hará cada 75 ns) y se aumentará su número hasta alcanzar unos 900 paquetes por haz (a mediados de mayo). Cuando se haya logrado se habrá alcanzado una luminosidad pico de unos 0’5/nb/s. Seguidamente se ajustarán una serie de parámetros técnicos para tratar de alcanzar unos 1’0/nb/s para finales de junio, que se mantendrán hasta después del verano. No está planificado reducir el espaciado de paquetes inyectados a 50 ns (que permite hasta 1400 paquetes de protones por haz) hasta después del verano. Las colisiones de protones acabarán en noviembre para dar paso a las colisiones de iones pesados. Más detalles en Benedetto Gorini, «Status of the LHC and Tevatron,» Aspen Center for Physics, 13 Feb. 2011.



2 Comentarios

    1. El Cid, con tan pocas colisiones, un pico como el mostrado en la figura es una mera fluctuación estadística. No tiene valor predictivo alguno sobre el Higgs. Habrá que esperar a finales de 2011 cuando se hayan recopilado cien veces más colisiones en este canal.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 14 febrero, 2011
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