El día del Higgs: «Lo tenemos, aunque como científico solo puedo decir que hemos visto algo»

Por Francisco R. Villatoro, el 4 julio, 2012. Categoría(s): Bosón de Higgs • Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 33

La gran noticia del día de hoy ha sido el descubrimiento del bosón de Higgs. Desde el CERN ha provocado un gran revuelo en toda la prensa científica del mundo y en la web. Yo os la he contado en directo en Amazings.es junto a Mario Herrero (@Fooly_Cooly): «Sigue en directo la Conferencia sobre el Higgs comentada y explicada por nuestros físicos» (recomiendo los comentarios) como en una breve nota de prensa «El CERN anuncia el descubrimiento del bosón de Higgs.» Ambos hemos disfrutado mucho hoy pues los grandes descubrimientos de la física de partículas, una labor colaborativa, se disfrutan más compartidos. Por cierto, tenéis que ver esta entrevista (subtitulada) a Peter Higgs en lainformacion.com. Trataré de resumir lo que ha pasado hoy, aunque hay tantos blogs y tantas fuentes de información en la web que me es imposible hacerlo mejor que lo que ya está hecho por ahí. Aún así, ahí va…

Voy a empezar por el final. La combinación oficiosa de Philip Gibbs para el canal difotónico de ATLAS y CMS no deja lugar a dudas, una evidencia a 6,02 sigmas de significación estadística local en el intervalo entre 110 y 150 GeV. Gracias a analizar los datos de colisiones tanto de 2011 como de 2012, se ha logrado un descubrimiento de un bosón escalar con una masa entre 125 y 126 GeV.

Continuando con el final, la combinación ATLAS+CMS oficiosa de Philip Gibbs para los dos canales que han permitido el descubrimiento del Higgs, tampoco deja lugar a dudas, una señal a 7,39 sigmas de confianza estadística local. Estos dos canales son el canal difotónico (0,2 % de las desintegraciones de un Higgs) y el canal de desintegración en dos bosones Z que se desintegran a su vez en cuatro leptones cargados, cuatro muones, cuatro electrones, o dos electrones y dos muones (0,01 % de las desintegraciones del Higgs). Estas figuras oficiosas serán muy parecidas a las figuras oficiales (que seguramente no se publicarán hasta el año que viene).

Para los interesados en la combinación oficiosa de todos los datos disponibles, Philip Gibbs nos presenta en esta figura la combinación de los datos de LEP2, Tevatrón (publicación del pasado lunes), LHC 2011 (reanalizados) y LHC 2012. Una combinación oficiosa que muestra una señal de un Higgs con una masa de 125,5 GeV con una confianza estadística local de 7,45 sigmas. Más aún, se excluye el bosón de Higgs en todo el intervalo de masas entre 100 y 600 GeV, salvo a dicha masa, en la zona en fondo de color rojo hasta 5 sigmas (rosa oscuro para 4 sigmas y rosa claro para 3 sigmas), lo que nos indica que se pueden utilizar los sigmas locales sin necesidad de recurrir a sigmas globales. La experiencia previa indica que esta figura será bastante parecida a la figura oficial que combine estos datos (que posiblemente nunca se publique). Realmente el trabajo de Philip Gibbs es espectacular. Además, la señal de un Higgs del Modelo estándar tiene un valor de 0,99 (cuando se esperaría un valor igual a 1) lo que ratifica que la señal tiene toda la pinta de ser el Higgs predicho (sin aditamentos).

Esta mañana todo empezó con la charla de Joe (Joseph) Incandela,»Status of the CMS SM Higgs Search» [slides]. Tras contarnos cómo se produce el Higgs en el LHC, cómo se desintegra y cómo funcionan los detectores de CMS de diferentes tipos de partículas, fue directo al grano, al canal difotónico. En este canal el Higgs se desintegra en un par de fotones, las trazas verdes que se ven en este evento obtenido en mayo de 2012, un evento limpio, casi de libro, de un candidato al Higgs (nunca se puede estar seguro al 100%).

Los datos en el canal difotónico de 2012 (con colisiones a 8 TeV c.m.) no son suficientes para proclamar un descubrimiento, como muestra esta figura. solo hay un pequeño exceso respecto a las predicciones para el fondo (el punto negro que está encima de la línea rayada en la parte alta del óvalo rojo). De hecho, hay puntos similares en otros lugares. Para obtener un descubrimiento hay que combinar las colisiones de 2012 con las de 2011 (que fueron a 7 TeV c.m.). Esta combinación ha exigido un reanálisis de los datos de 2011 con los mismos algoritmos que se han utilizado para analizar los datos de 2012, con lo que ha mejorado mucho el resultado publicado en diciembre de 2011.

El resultado es esta figura de gran belleza y limpia como una patena. Hay una «joroba» (bump) clarísima alrededor de 125 GeV, que aparece ampliada en el recuadro. La coincidencia de esta joroba tanto en los datos de 2011 como en los de 2012 es clave para el descubrimiento. Esta figura no deja lugar a dudas, con una significación local de 4,1 sigmas (aunque en el rango completo entre 110 y 150 GeV se reduce a solo 3,2 sigmas) se ha observado un bosón escalar neutro con una masa de unos 125 GeV. Se ha observado un Higgs (lo que no significa que sea El Higgs predicho por el Modelo Estándar).

 En el canal difotónico se han clasificado los eventos en varios tipos diferentes (Untagged 0, 1, 2, 3 y Di-jets). Esta figura muestra el ajuste de los datos con las predicciones del modelo estándar, realmente muy bueno (mejor de lo que se había observado en diciembre de 2011). El resultado es que la tasa de desintegración (sección eficaz) para este canal es poco mayor pero compatible con la predicha por el modelo estándar, en concreto σ/σSM = 1,56 ± 0,43 × SM. Este resultado indica que es muy probable que el bosón observado sea un Higgs, aunque para asegurar que sea el predicho por el modelo estándar hay que estudiar cómo se desintegra en otros canales.

El otro canal estrella para la búsqueda del Higgs, por su limpieza, es la desintegración H→ZZ→4 leptones (e,μ). En este caso os muestro un evento de la desintegración de un (candidato al) Higgs en dos muones y dos electrones observado el 28 de mayo en CMS. Podéis ver claramente la limpieza de este evento y lo bien que se reconstruyen tanto la energía como las trayectorias de los muones y de los electrones en CMS.

Esta figura muestra claramente una señal de un Higgs con una masa de 126 GeV (el pico en rojo es la predicción teórica para un Higgs y los puntos negros están claramente por encima de la parte azul correspondiente a la ausencia del Higgs). Esta señal es muy limpia aunque estamos hablando de muy poquitos eventos, pero muy poquitos eventos (4+3+2 = 9 eventos, sobre un fondo esperado de 1+1+1 = 3). En diciembre de 2012 estaremos hablando de como mínimo el doble de eventos. Creo que es importante resaltar esto a la hora de sacar conclusiones de este canal de desintegración. La significación estadística para este canal de desintegración es de 3,2 sigmas para la observación de un Higgs con una masa de 125,5 GeV. Puede parecer poco, pero hay que combinarlo con el canal difotónico.

Esta figura es una de las más espectaculares que hemos observado esta mañana y provocó un clamoroso aplauso en toda la sala. De hecho, en el webcast de esta mañana la pusieron tan poco tiempo (para filmar a la gente aplaudiendo y al conferenciante muy contento) que casi no me dio tiempo a leer el resultado y tuve que preguntar a Mario y a Javier que me aseguraron, como en los buenos partidos de fútbol que fue gol, un golazo. La significación estadística del canal difotónico (4,1 sigmas) combinada con la del canal ZZ->4l (3,2 sigmas) resulta en… tatachín, tatachán, cinco sigmas, 5 σ, de significación estadística para un bosón de Higgs (esto es algo mayor de lo esperado, que eran solo 4,7 sigmas).

Un resultado espectacular. La verdad es que esta figura merecía el clamoroso aplauso y no me resisto a poner aquí este trocito de transparencia. El canal WW da una señal mucho menos clara, pero que también apunta a un Higgs con la misma masa, con lo que la confianza estadística final de CMS sube un pelín más hasta 5,1 sigmas.

Pero todo no puede ser perfecto. El canal H->tau tau muestra un claro déficit respecto a las expectativas para un bosón de Higgs con 125 GeV, como muestra esta figura. La curva negra continua pasa por la curva roja (no existencia del Higgs) alejada a casi 2 sigmas de la curva negra a trazos discontinuos (existencia del Higgs). Obviamente, la curva negra está por encima de la unidad, luego este canal aún no es lo suficientemente sensible como para excluir un Higgs. Habrá que estar muy atentos a la evolución de este canal, el gran disidente.

Tras considerar este último canal con todos los demás, la confianza estadística baja a 4,9 sigmas, lo que es prácticamente lo mismo que 5,0 sigmas y por tanto podemos proclamar el descubrimiento de un Higgs. Sin embargo, el canal disidente está ahí y desde la dirección del CERN se ha tomado la decisión de afirmar que aún no podemos asegurar con rotundidad que se trata del Higgs del Modelo Estándar. Todos los demás canales estudiados (muy poquitos, por cierto), indican que sí se trata de la ansiada partícula y solo el canal con mayor incertidumbre apunta en contra, pero así es la dirección del CERN. Ya sabéis que «se acepta pulpo como animal de compañía.»

¿Cuál es la masa del bosón de Higgs según CMS? Esta figura muestra el mejor ajuste combinado a todos los canales, que conduce a una masa de 125,3 ± 0,6 GeV (que coincide bastante bien con el valor obtenido por Philip Gibbs de forma oficiosa 125,5 GeV).

¿Se trata del bosón de Higgs del Modelo Estándar? Todavía es pronto para poderlo asegurar de forma rotunda y la cociente σ/σSM = 0,80 ± 0,22, que es compatible con la hipótesis de que sea igual a la unidad. Realmente debemos recordar que los canales menos sensibles son los que difieren más con respecto al Higgs del Modelo Estándar, como muestra la siguiente figura.

El canal H→ττ (VBF tag) y H→WW (VH tag) son los que marcan las mayores diferencias respecto a la predicción del Modelo Estándar, estando muy bien ajustado a sus predicciones el canal H→ZZ. Por todo ello, en mi modesta opinión, se ha descubierto el Higgs predicho hasta que no se demuestre lo contrario. A muchos nos gustaría ver un primo del Higgs en lugar de El Higgs, pero por ahora es lo que tenemos.

Mañana os comentaré los resultados de ATLAS. Lo siento pero lo tengo que dejar aquí por ahora…



33 Comentarios

  1. tengo entendido que se hablaba de un exceso que hacía pensar que lo que se observaba no era precisamente el boson de Higgs, sino que podía ser otra cosa, como por ejemplo un campo escalar que vivía también en otras dimensiones, ¿todo esto hoy queda descartado?, saludos

    1. Eduardo, la única manera de saber si existen otros Higgs (como predice la supersimetría, por ejemplo) es encontrarlos. Sabemos que no tienen una masa por debajo de unos 550-600 GeV, pero podría haberlos con masas mayores. En el LHC seguirán buscándolos…

    1. Alicia, exactamente. Una partícula adquiere masa porque se acopla con el Higgs. Resulta que el Higgs también puede acoplarse a otro Higgs. El proceso no es exactamente igual que en las demás partículas, pero obviando pequeños detalles técnicos, es lo mismo y se puede decir que el campo de Higgs le da masa al propio Higgs.

  2. Se que me vais a borrar el comentario, como siempre. Pero, ¿realmente os creeis todo este sin sentido que nos estáis contando? ¿Tan radicales sois en vuestras ideas, que hacéis como los de la religión que todo el que no piensa igual, es excomulgado? Yo, solo me he quedado con la última frase de la presentación «LA ESTRATEGIA HA FUNCIONADO», el control de la información es absoluto, y con ello, si hay que convencer que un buey vuela, pues vuela

    1. Nadie te va a borrar el comentario, puedes estar seguro, no se por qué dices tal cosa. Las personas que no piensan así en el modo en que tu dices, simplemente no han tenido éxito, sus ideas no corresponden con lo que estamos observando en la naturaleza. Las personas que han creado esos modelos, o esas ideas como tu dices, pues hoy se han hecho famosos porque resulta que lo que ellos pensaron que sería asi, la naturaleza ha mostrado que tienen razón. Otros muchos que pensaron diferente no han tenido existo en explicar la naturaleza.

      Nadie veta a nadie en ciencia, cualquiera es libre de expresar sus ideas. Sus ideas se pondrán a prueba, y si no funcionan, se desecharán. Bien es cierto que hay gente que se empeña en desmentir ciertas ideas que se han demostrado perfectamente válidas durante décadas, a esos se les presta menos atención simplemente porque no vale la pena perder tiempo, esfuerzo y dinero en comprobar una y otra vez lo que ya está mas que comprobado. Y digo se les presta menos atención, no digo que se les ignore.

      Y si, la estrategia han funcionado, lo que pensabamos que era así, resulta que es así. La religión impone unas ideas que no se pueden argumentar ni comprobar, y su único baremo es ir ocupando las grietas de lo que la ciencia aún no ha conseguido explicar. Muchas veces se confunde la religión cristiana con la teología. Los teólogos-filósofos hacen un papel loable en el sentido de un intento igual de honesto de explicar la naturaleza, pero equivocado en mi opinión al no introducir un mecanismo de autocomprobación de sus argumentos, y este mecanismo es el método científico. En el tema de la iglesia recuerdo que no hace mas de 50 años todavía se dudaba, criticaba y estigmatizaba la teoría de la evolución, cosa que en EEUU sigue ocurriendo hoy día.

      Y por último me resulta curioso que una persona que en su página web presenta unas ideas tan jodidamente restrictivas atacando todo lo que tiene alrededor vaya a echar cuentas a un modelo ideológico que se sustenta continuamente en la autocrítica, cosa que no veo por ningun lado en tu página web a la que intentas dar publicidad en un foro ajeno a lo tuyo (si no te gusta no entres). Creo que en tu página web hay ideas igual de absurdas que un buey volando como dices.

      Me toca el alma las personas que dicen lo que tu dices, es algo que no puedo soportar. La mas dura de las hipocresias.

  3. profesor Francis
    en que articulo suyo o en otro lugar puedo leer algo tecnico pero no de curso de fisica sobre campo de higg y boson de higg sobre todo que es

    1. Podría serlo, Aleixaleix, pero descubrirlo es imposible con el LHC. Habrá que esperar al ILC (sobre 2025) para poder estudiar esta posibilidad.

  4. He visto una crónica en El País de Javier Sampedro que identifica el campo de Higgs con el campo inflatón responsable de la inflación cósmica. Me suena a error aunque no estoy seguro. Francis, ¿podrías aclarármelo?
    Un saludo y enhorabuena por tu blog

    1. Se trata de un error, Antonio. Lo que pasa es que el campo inflatón es un campo escalar neutro y el campo de Higgs es un campo escalar neutro. No existía ninguna partícula conocida que fuera un campo escalar neutro. Al haberse descubierto la primera, el Higgs, se apoya la idea de que pueda haber otras (como el inflatón). Nada más.

      Hay alguna teoría exótica que apunta a que el Higgs y el inflatón están relacionados. Pero son teorías exóticas poco sostenibles en la actualidad.

      1. Wolfram menciona que cuando él estuvo trabajando con el Higgs acabaron medio diseñando algo que se parecia a la inflacción. Puede que de la divulgación de esos resultados en los setenta surja la confusión. En general es un desastre mezclar particulas y cosmologia.

    2. Los artículos de Javier Sampedro en El País sobre física son un desastre. Se nota mucho que todo lo que sabe lo ha leído en libros de divulgación. Mete la pata con frecuencia equivocando a la gente que lo lee. Que le publiquen en ese periódico habla del nivel científico del mismo. Alicia Rivera (pese a no ser doctora ni licenciada en ciencias, creo) hace mejor su trabajo.

    3. He escrito al defensor del lector de El País haciéndole notar sus incorrecciones(*). Javier Sampedro en persona me ha respondido y no acepta la crítica… Wonderful. Si alguien quiere ver el correo, lo pongo.

      (*) Es la 2ª vez que escribo. La otra fue por el de «Dios no puede equivocarse».

  5. ¿Cómo explicas que una resonancia hadrónica se desintegre en 2 fotones? Que yo sepa, y sin ser físico de partículas, ahi se estarían violando unas cuantas simetrías

  6. Gracias Francis por la exposición. Lo que no entiendo es lo siguiente: si el bosón de Higgs se desintegra muy rápidamente, y por eso es tan difícil de detectar (en los primeros instantes del Big Bang no sería así), ¿cómo puede haber tantos bosones de Higgs formando el campo de Higgs y dotando de masa a ciertas partículas?

    1. Francisco Javier, la teoría de campos cuánticos es sutil y a veces difícil de explicar pues no tenemos buenas analogías mentales de tipo clásico. La interacción que dota de masa a las partículas elementales es la interacción con los bosones de Higgs virtuales (los que forman parte del vacío del campo de Higgs, que mucha gente llama impropiamente el vacío, pues el vacío tiene todos los tipos de partículas virtuales). Cuando la gente dibuja la interacción de un Higgs (real, no virtual) con una partícula lo está haciendo mal. No hay bosones de Higgs (reales) en el universo porque esta partícula no es estable y se desintegra en partículas de masa inferior. Como tampoco hay quarks top o bosones W o Z. No hay un fondo cósmico de bosones W o de quarks top. Los fondos cósmicos, formados de partículas reales residuo del Big Bang, están formados por fotones, neutrinos, electrones y protones. Todas las demás partículas que observamos en los rayos cósmicos (como muones, taus, etc) no son partículas de origen cósmico sino que son resultado de la colisión de partículas de origen cósmico con la atmósfera terrestre.

      Espero haber aclarado este peliagudo e importante asunto.

      La verdad es que los físicos, en conciencia, no sabemos muy bien qué es el vacío de un campo. Los campos están fluctuando constantemente pero estas fluctuaciones las interpretamos como la producción de partículas virtuales. Solo las fluctuaciones «grandes» que indujo el Big Bang en los campos corresponden con las partículas que contamos cuando medidos la cantidad de materia ordinaria que hay en el universo.

      1. Enhorabuena por la entrada. ¿No estás confundiendo Higgs virtuales (los que a través de correcciones radiativas contribuyen a observables medidos con precisión en la teoría electrodébil) con el condensado del campo de Higgs (el valor esperado en el vacío del campo)?

      2. Francis, ¿podrías responder al comentario de drake? Porque no termino de entender cómo unas partículas virtuales, que existen durante un tiempo tan corto, pueden acoplarse de alguna forma a las partículas y frenarlas en su avance, tal y como se expresa en las analogías divulgativas. Sí me cuadraría mejor si me imagino los Higgs virtuales como ondas: el vacío del campo de Higgs estaría lleno de estas ondas, y tal vez incluso el efecto o la perturbación de estas ondas podría prolongarse algo más allá de la existencia de las partículas de Higgs asociadas a dichas ondas, no lo sé.

        Por otra parte, si los bosones de Higgs reales tienen una masa considerable, de unos 125,5 GeV, una masa mucho mayor que la de los rayos cósmicos y átomos/moléculas que le dan origen al chocar, y si consideramos que existe un número muchísimo mayor de planetas con atmósfera que de estrellas en el universo (y también podrían generarse bosones de Higgs reales, tal vez, al chocar los rayos cósmicos con las partículas de nebulosas, atmósferas de estrellas, enanas marrones, etc., etc.), ¿toda esa masa fugaz pero de producción constante no podría explicar gran parte de la materia oscura?

    1. Alicia, ¿entiendes lo que pone la wikipedia en Mecanismo de Higgs? La wiki solo habla de la teoría clásica y la parte cuántica es la interesante (y la difícil). Si lo entiendes bien, te recomiendo cualquiera de los cientos de libros (muchos gratuitos por internet) sobre teoría cuántica de campos; además, hay muchos cursos incluso en youtube. Busca y encontrarás (si quieres mis preferidos, recuerda que quizás no sean los que más te gustarán, como siempre busca, compara y si encuentras algo mejor…)

  7. Aunque no se esté seguro de que es el bosón de Higgs del Modelo Estándar, ¿crees que este descubrimiento es suficiente para que le den el Nobel a Higgs (y los demás físicos implicados) el año que viene, o esperarán aún?
    En otras palabras, ¿es el bosón que Higgs predijo el asumido por el Modelo Estándar, o el mecanismo de Higgs es más amplio y puede amoldarse a otras opciones?

    1. M.I., las nominaciones al Nobel se envían entre septiembre y febrero, y en febrero de 2013 ya se sabrá seguro si se trata del Higgs del SM (casi seguro que ya lo es). Por tanto, podría caer el Nobel de 2014 al bosón de Higgs (será candidato firme, todo depende de qué otros candidatos haya). Si no cae en 2014, pues en 2015, siendo un resultado muy importante y no habiéndose premiado el descubrimiento del quark top, creo que no tardará mucho más.

      En cuanto a tu segunda pregunta. Por supuesto. Incluso si no es el Higgs del modelo estándar, sino un primo cercano (no puede ser un primo muy lejano coincidiendo en dos canales de desintegración como lo hace), el mecanismo sigue siendo válido (con ligeros retoques pero que están muy estudiados) y sigue siendo algo que merece el Premio Nobel. A alta energía tenemos la teoría electrodébil y a baja energía la QED y una teoría débil efectiva, luego hay un mecanismo de ruptura espontánea de esta simetría (además de que hay muchas pruebas indirectas).

      La cuestión importante es qué Premio Nobel darán primero, el experimental al LHC o el teórico a Higgs y cía (y si darán dos premios o uno solo por el bosón).

      Yo ya he expresado mi opinión en Twitter: Lyn Evans (el padre del LHC) merece un Nobel en exclusiva por su máquina. Ahora bien, es mucho más joven (algo menos de 70) que Higgs (algo más de 80). Caso de elegir a tres teóricos, deberían ser Englert, Higgs y Kibble; no creo que se lo den de forma exclusiva a Higgs; además, los votos de muchos físicos de Rusia irán a Polyakov y Migdal. La verdad es que es muy difícil hacer pronósticos pues la Academia Sueca es muy «sueca.»

      1. Gracias Francis.
        Otra pregunta algo más técnica, procedente de mi desconocimiento. No acabo yo de entender muy bien las figuras mostradas en todos los artículos (las del tipo a la primera que muestras). Está la línea «esperada» con sus sigmas, y la «observada» en el LHC. Por lo que se explica, si se aleja lo observado de lo esperado, es que ahí hay algo. Esa es mi duda: ¿Por qué? Es decir, ¿qué es lo esperado? Porque si es lo esperado según la teoría (Modelo Estándar), no me cuadra entonces que se confirme precisamente ese modelo.

      2. M.I. preguntas por las figuras de exclusión, en concreto «la línea “esperada” con sus sigmas y la “observada” … si se alejan … es que ahí hay algo. Esa es mi duda: ¿Por qué?»

        ¿Qué es lo esperado? En las figuras de exclusión lo esperado es la hipótesis nula (que no haya un bosón de Higgs), es decir, lo esperado es lo predicho por el modelo estándar sin tener en cuenta la existencia de la partícula de Higgs, pero dejando el resto igual (cada partícula con su masa, etc.). Lo único que se le quita al modelo estándar es la posibilidad de observar las excitaciones del campo de Higgs como partículas. Es importante recordar que el resto se deja igual (el campo de Higgs existe y hace todo lo que tiene que hacer, salvo producir partículas).

        Cuando en cierta región de masa lo observado coincide con lo esperado (sin Higgs) podemos afirmar que no existe Higgs en dicha región de masa. Si por el contrario, la curva observada está muy por encima de la curva esperada, hay un gran exceso, significa que hay algo no predicho por el modelo estándar sin Higgs. Si en cierta región de masa la curva observada estuviera muy por debajo de la curva esperada significaría que el modelo estándar (con la hipótesis de que el campo de Higgs existe) falla garrafalmente (por ahora este caso no se ha dado nunca).

        Espero haber aclarado el asunto.

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