Francis en Trending Ciencia: El Higgs invisible

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Hoy se inicia la segunda temporada de Trending Ciencia. En este enlace puedes escuchar mi primer podcast sobre Física, que trata sobre el Higgs invisible. El 8 de octubre sabremos quién recibirá el Premio Nobel de Física de 2013. Bueno, en realidad ya lo sabemos, todas las apuestas apuntan a que lo recibirán el escocés Peter Higgs y el belga François Englert, que ya recibieron junto al CERN el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica de 2013. Por ello voy a dedicar mis primeros podcasts sobre Física para la nueva temporada de Trending Ciencia a hablar de diferentes aspectos de la física del bosón de Higgs.

Más información en Tommaso Dorigo, “Invisible Higgs Not Seen!,” AQDS, Sep 4, 2013; el artículo más reciente sobre la búsqueda del Higgs invisible es The CMS Collaboration, “Search for invisible Higgs decays in the VBF channel,” CMS PAS HIG-13-013, Aug 30, 2013. Más información técnica en las charlas de Monoranjan Guchait, “Looking for invisible Higgs signal at the LHC,” [pdf slides], y P. S. Bhupal Dev, “Invisible Higgs Decay to Light Sneutrinos,” [pdf slides], ambas en la 21st Int. Conf. on Supersymmetry and Unification of Fundamental Interactions (SUSY13), ICTP, Trieste, 26-31st August, 2013.

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Hoy empezaré con el “hombre invisible,” quiero decir con el “Higgs invisible.” No, no creas que Peter Higgs se ha tomado un combinado de monocaína, la poción de invisibilidad, para evitar perder la modestia que le ha caracterizado durante toda su vida. El “Higgs invisible” es como los físicos llamamos a las desintegraciones invisibles del bosón de Higgs, las desintegraciones invisibles para los detectores de partículas de los colisionadores como el LHC (el Gran Colisionador de Hadrones) del CERN. ¿Qué es una desintegración invisible? Si es invisible, ¿cómo es posible detectarla? ¿Cómo vería un físico al hombre invisible?

“El hombre invisible” (“The Invisible Man”) es una famosa novela de ciencia ficción escrita por H.G. Wells y publicada en 1897. Su primera adaptación al cine fue la película homónima “El hombre Invisible” producida en 1933 por Universal Pictures y dirigida por James Whale. Jack Griffin, interpretado por Claude Rains, es un científico que descubre un fármaco llamado Monocaína capaz de cambiar el índice de refracción de todos los órganos del cuerpo de una persona para hacerlo coincidir exactamente con el del aire; prueba consigo mismo y se vuelve invisible, pero Griffin no sabe cómo volverse a sí mismo visible. Los efectos secundarios de la monocaina le vuelven loco, planea la dominación del mundo con la ayuda de “ejércitos invisibles” y comete un crímen. El jefe de Policía lo descubre gracias a sus huellas en la nieve, le dispara y Griffin muere. En su lecho de muerte proclama que “hay cosas que el hombre debe dejar en paz.”

Las huellas en la nieve del hombre invisible son similares a las huellas que el Higgs invisible deja en los detectores de partículas del LHC. El jefe de Policía observa que falta algo de nieve en el suelo, no puede ver al hombre invisible, pero la pequeña pérdida de nieve en el suelo indica su presencia fuera de toda duda. Hay muchas partículas que son invisibles a los detectores de partículas en el LHC. Esas partículas se descubren gracias a la pérdida de energía y de momento en las colisiones de partículas. Si al aplicar las leyes de conservación de la energía y el momento a una colisión concreta observamos que falta energía y momento, los físicos no pensamos que estas leyes se violan, todo lo contrario, las usamos para predecir la existencia de una partícula invisible a los detectores. Así es como se detectan los neutrinos, de hecho así es como Pauli predijo su existencia en 1930. Los neutrinos son partículas cuya masa es tan minúscula que su interacción con los detectores de partículas está fuertemente suprimida. La única manera de detectar neutrinos en los detectores del LHC es gracias a la energía y momento que falta en ciertas colisiones que dejan una señal asimétrica que en apariencia viola las leyes de conservación de la energía y el momento.

Dibujo20130915 invisible higgs - zh and vbf channels

La física del Higgs invisible es el estudio de sus desintegraciones invisibles, las desintegraciones del bosón de Higgs en partículas que no se pueden observar en los detectores como ATLAS y CMS del colisionador de proLHC en el CERN. El bosón de Higgs predicho por el modelo estándar presenta dos desintegraciones invisibles. Por un lado, la desintegración directa en dos neutrinos (H→ν ν), imposible de observar porque su probabilidad es extremedamente pequeña al ser proporcional al cociente entre la masa de los neutrinos y la masa del Higgs; recuerda que los neutrinos tienen una masa un billón de veces más pequeña que el Higgs. Y por otro lado, la desintegración indirecta en cuatro neutrinos mediada por dos bosones Z; el Higgs se desintegra en una pareja de bosones Z, uno de ellos virtual, que a su vez se desintegran cada uno en una pareja de neutrinos (H→Z Z*→ν ν ν ν). Un bosón Z se desintegra el 20% de las veces en dos neutrinos, pero la desintegración del Higgs en cuatro neutrinos totaliza menos del 1% de las desintegraciones de Higgs en el LHC. Por este motivo, el efecto de esta desintegración en las búsquedas realizadas hasta ahora es muy pequeño.

El interés en la física del Higgs invisible es debido a que es una puerta hacia física más allá del modelo estándar. Sabemos que existe la materia oscura, pero no sabemos aún si se trata de una nueva partícula y cuál puede ser su masa. El Higgs invisible permitiría descubrirla si se tratara de una nueva partícula con una masa inferior a la mitad de la masa del Higgs (unos 63 GeV), pues el Higgs se podría desintegrar en una pareja de estas partículas (H→χ χ). La posible partícula de materia oscura ligera sería invisible a los detectores del LHC (pues en otro caso ya habría sido descubierta), pero haría que las desintegraciones invisibles del Higgs fueran mucho más probables. Observar alguna desintegración invisible del bosón de Higgs sería una señal muy clara de física más allá del modelo estándar.

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¿Cómo se están buscando las desintegraciones invisibles del Higgs en el LHC? Se están estudiando dos canales, el canal ZH y la producción por fusión de bosones vectoriales. En el primer caso, en la colisión de dos protones se produce la colisión de una pareja quark-antiquark, que se fusiona produciendo un bosón Z de alta energía, que se desintegra en un Higgs y en otro bosón Z; el Higgs se desintegra de forma invisible pero el bosón Z se desintegra en un par de leptones (pareja electrón-positrón o muón-antimuón). El estudio de esta colisión muestra una pérdida de energía y momento asociada al Higgs que permite descubrir su presencia. Y en el segundo caso, dos quarks, uno de cada protón que colisiona, emiten un bosón vectorial (sea W o Z) que posteriormente se fusionan entre sí para dar lugar a un Higgs que se desintegra de forma invisible; en este canal se observan dos quarks (es decir, dos chorros de hadrones) dirigidos en la misma dirección, lo que indica que falta algo en la colisión, la energía y momento del Higgs. Tanto ATLAS como CMS han buscado el Higgs invisible en ambos canales.

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¿Qué sabemos sobre el Higgs invisible? Nadie ha observado un Higgs invisible por lo que lo único que sabemos son límites superiores a la probabilidad de que ocurra (límites superiores a su tasa de desintegración o branching ratio). Por ahora sabemos poco. En el canal ZH, los límites superiores para la probabilidad de desintegración invisible de un Higgs obtenidos por ATLAS y CMS son de 65% y 75%, respectivamente, ambos valores al 95% de intervalo de confianza. En el canal de fusión de bosones vectoriales sólo ha publicado su búsqueda CMS (pronto espero que se publique la de ATLAS) y el resultado es una probabilidad superior del 69% al 95% CL. Combinando todos los datos de ATLAS y CMS en los canales de desintegración del Higgs se puede reducir este valor a sólo el 28% (también al 95% CL). Por ahora son valores superiores muy groseros, ya que sabemos muy poco sobre el Higgs invisible.

Dibujo20130915 higgs - br-inv sensitivity

El LHC ha acumulado pocas colisiones entre 2011 y 2012, unos 20 inversos de femtobarn por detector. Cuando arranque en 2015 se acumularán más de 100 inversos de femtobarn de colisiones lo que permitirá reducir las probabilidades superiores para el Higgs invisible en los dos canales a un valor inferior al 5%; además, se podrá buscar el Higgs invisible en un tercer canal, la producción de dos parejas de quarks top, dos de los cuales se fusionan para dar lugar a un Higgs. Además, con 100 inversos de femtobarn de colisiones, combinando todos los canales de búsqueda se explorará el Higgs invisible hasta una probabilidad cercana, pero inferior, al 1%. Si existe una partícula de materia oscura ligera observable gracias al Higgs invisible es muy posible que sea descubierta en el LHC.

En resumen, no hay mucho que podamos contar sobre el Higgs invisible, salvo que es el camino más prometedor para encontrar nueva física más allá del modelo estándar en la física del Higgs. Una búsqueda difícil que está dando sus primeros frutos.

10 comentarios

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amarashiki amarashiki

Si el Higgs invisible es vital en el contexto global de la búsqueda de materia oscura y nueva Física. Ya te lo comenté hace unos meses, Francis., ¿recuerdas? :). Tu partícula favorita se entrelaza con mis partículas favoritas (los neutrinos) y partículas hipotéticas (de dark matter o dark stuff) en este canal de desintegración. ¡Es por eso por lo que es la prueba del algodón para BSM y nuevos campos! El higgs portal que comunica con el hidden/dark sector a través del higgs sector del SM es pues importante para el advenimiento de la Nueva Física más allá del Modelo Estándar. Por cierto, sería importante destacar que el Higgs invisible es útil sólo para partículas de materia oscura relativamente ligeras (tipo WIMP light o hasta tipo WISP), pero no para partículas de materia oscura pesadas (como puede verse del balance de energía y momento de la reacción H->XX (nothing) ).

Yo tengo muchas esperanzas en este modo de desintegración para la confirmación o refutación de la idea de materia oscura ultraligera, si es que realmente existe la materia oscura de ese tipo, o si no existe, podría reorientar la búsqueda de nueva Física en direcciones paralelas importantes como MOG/MOND, o de producción directa de partículas de materia oscura pesada en el LHC; aunque es posible que lo que hoy entendemos como materia oscura o energía oscura son simplemente aspectos complementarios de una dinámica y cinemática aún por descubrir. No creo que si la partícula de materia oscura es muy muy muy ligera sea fácilmente detectable.

Yo suelo apostar por null results…Así que no espero observar Higgs invisibles a corto plazo… Si se detectan Higgs invisibles por encima del rate esperado por le modelo estándar, con suficientes sigmas, ese día podremos decir que la Nueva Física ha llegado de verdad (pese a que yo pienso ya que la tenemos delante de nuestras narices y no nos damos cuenta). Por cierto, Francis, deberías a lo mejor hacer una breve entrada sobre la idea esta “loca” de que el sol emite una partícula que cambia las constantes de desintegración. Admito que es “controversial”, pero parece que se está volviendo a discutir el asunto (aunque personalmente, no me parece demasiado agradable pensar que las constantes de desintegración radioactiva cambian en el tiempo por el problema que daría eso para la datación radioactiva). Supongo que es otro bluff teórico a falta de más evidencias, pero si hay gente de física solar que empieza a estar realmente preocupada por el asunto, … Tendré que poner mi radar al tanto de la física solar, parece que el Sol podría darnos una inesperada sorpresa (aunque no lo creo en estos momentos)…

Finalmente, una cosa que a mí me intriga, es si la materia oscura es real, y tiene masa superior a la masa del Higgs, debe ser también muy especial, pues algo debe suprimir mucho los decays tipo X-> Higgs, o XX->Higgs para que no hayamos encontrado aún pruebas de su existencia claras en astronomía o astrofísica (¿o tal vez sí y no nos hemos percatado?Sigo pensando en la línea de Fermi todavía…Y en lo que pueda decirnos en el futuro AMS). Por ejemplo, en una procesos cósmicos suficientemente energéticos tales reacciones (suponiendo insisto en que la masa de la partícula de materia oscura es suficientemente grande para permirlos) deberíamos poder observar líneas asociadas a esos procesos. ¿Dónde mirar?¿Cómo observarlo? Otra cuestión para la Astronomía de este siglo, que será tanto o más de la astronomía de neutrinos como de ondas gravitacionales, es la Astronomía del HIggs y de la materia oscura (si esta última existe). Llegado un punto, creo que tocará estudiar el cielo observando las partículas oscuras en aniquilación y producción. Va a ser MUY divertido…

emulenews emulenews

Amarashiki, tus comentarios hace unos meses sobre el Higgs invisible son el germen indirecto de esta entrada, el directo es la reciente entrada de Tommaso. Quiero preparar varios podcasts con enfoques al Higgs poco discutidos en otros lugares.

En cuanto a la “misteriosa partícula emitida por el Sol” te refieres a las ideas non-mainstream de Peter Sturrock. La verdad sea dicha, no me gustan estas ideas cuando provienen de profesores eméritos pues les publican sus artículos no por su contenido sino por su prestigio previo y muchas veces dicen cosas que rayan lo absurdo…

Por cierto, ya me hice eco de este asunto: “Estudiando la física de los neutrinos en tu propia cocina con isótopos de silicio radioactivos,” 6 julio 2009; “La variación periódica anual de la tasa de desintegración radioactiva de los elementos,” 10 julio 2010; y “Nuevos resultados sobre la presunta variación anual de la tasa de desintegración radioactiva,” 3 sept. 2012.

Si los datos de AMS-02 apuntan a materia oscura, se trata de una partícula muy pesada, por encima de 1 TeV (que gracias al “milagro” de las WIMP nadie puede descartar a priori).

Dices que “la Astronomía de la materia oscura (si esta última existe).” Bueno, ya hay astronomía de la materia oscura desde hace casi un siglo, pero sobre todo en las últimas décadas gracias a las lentes gravitatorias. La materia oscura existir existe, otra cosa es que sea una o varias partículas nuevas.

amarashiki amarashiki

Lo que quería decir con Astronomía de materia oscura es “explorar” y “mapear” el cielo como se hará con los “relic neutrinos” o se espera hacer (en un futuro “lejano” aún) con las ondas gravitacionales. Un “mapa” del cielo con los “flashes” de materia oscura quizás permitiría entender mejor la estructura a gran escala, que aún presenta muchas incógnitas. En especial el proceso por el que galaxias y su tamaño los clusters se correlacionan con la cantidad de materia oscura que tengan (hay todo un campo por ahí aún por comprender). :).

Marina Marina

Dirigido a la atención de Francis:

Seguramente conocedor de las Jornadas sobre el Higgs que se están celebrando en mi comunidad y a las cuales no me es posible el acceso, me gustaría rogarte te interesaras si en algún momento decides que lo consideras oportuno. Acerco aquí dos enlaces incluido el programa. Gracias.

http://indico.ifca.es/indico/confere...?confId=536

en,
http://www.ifca.es/HDays13/

Aprovecho la ocasión para reiterarte la admiración que en otros como en mi, produce tu emérita contribución a su divulgación. No me es posible por falta de tiempo participar pero no me resigno a perderme ni una sola de tus publicaciones.

Anonimo Anonimo

Hola Francis, como amante de la física de particulas y de tu blog de divulgación (entre otros) y pese a mi nula formación académica en el campo, siempre he mostrado una fascinación por este campo de la ciencia.
Sobre todo por su carácter “fantástico”, por llamarlo de alguna forma, el maravilloso nivel al que nos describe la realidad y la forma tan misteriosa como lo hace. Sin embargo, quizás sea por eso de no ser ducho en la materia, porque ignoro gran cantidad de razones y argumentos básico, o por el escaso conocimiento que tenemos de un gran número de fenómenos, que muchas veces me resulta enrevesado aplicar la lógica al nivel de complejidad de algunas afirmaciones sobre la física de particulas básicas.
Como conclusión, empeizas a plantearte si no hemos hecho algo mal, si no lo hemos complicado demasiado y pese a que la eperimentación a veces nos da la razón, eso no es excusa para dogmatizar un axioma. La simplicidad, apartente, de la naturaleza, de las matemáticas que la rigen, parece ir en contra del principio de “complicalo todo” que un espectador externo tiene de la física de particulas.
Por eso me preguntaba, a raíz de este articulo de Philip Ball el 11 de septiembre de 2013 en Nature News (http://www.nature.com/news/physics-q...est-1.13711) si podrias hacer una entrada sobre otros modelos, vias y descripciones matemáticas sobre la que podriamos reconstruir la física de particulas.
Un saludo a todos

emulenews emulenews

Anónimo, lo primero, la física de partículas actual no es complicada, todo lo contrario, es muy sencilla; cualquier físico que se especialice en física teórica estudia lo suficiente de teoría cuántica de campos para entender bien el modelo estándar sin necesidad de hacer un doctorado. El lenguaje matemático y las ideas físicas de la teoría cuántica de campos son muy sencillos. La idea de que son “complicados” es propia de quien no los ha estudiado con profundidad. La termodinámica del s. XIX le resultaría muy complicada a Newton a finales del s. XVII, pero hoy nos parece sencilla a cualquier físico del s. XXI.

Lo segundo, todos los otros modelos, vías y descripciones matemáticas alternativas a la teoría cuántica de campos cuyo objeto es reconstruir la física de partículas son mucho más complicados que la teoría cuántica de campos, no son capaces de explicar todo lo que sabemos (p.ej. las colisiones en el LHC) y en muchos casos contienen contradicciones con los hechos experimentales (que no las falsean porque son teorías matemáticas tan complicadas que sus defensores afirman que debe existir una vía alternativa en sus teorías que esquive su falsación; aunque ellos sean incapaces de encontrarla, siempre afirman que hay poca gente trabajando en sus ideas y que en el futuro alguien lo logrará).

En resumen, de vez en cuando discutiré ideas alternativas a QFT en este blog, pero no puedo escribir una entrada como la que pides, pues hay tantas alternativas como físicos teóricos senior en el mundo (yo estimo que unas decenas de miles de alternativas) y si quisiera discutirlas todas (o al menos los cientos de ellas más populares) sería lo único que haría en este blog y rompería con mis objetivos divulgativos en este medio. Lo siento.

Anonimo Anonimo

Ante el vicio de pedir, esta la virtud de no dar.

Francis, estoy totalmente de acuerdo contigo, como ya subrayaba yo, la complejidad aparente radica fundamentalmente en mi desconocimiento cuasiabsoluto de la materia; ni un pero te puedo poner.

Me resultó interesante el artículo de Philip Ball y solo quería saber si podias dar tu opinión. Espero que al menos los que pasen por aqui puedan leerlo.

Un saludo, seguiremos al pie del cañon.

Pd: A titulo personal te agradezlo la labor, hacen falta más blogs así y menos chorradas de los Mayas.

Artemio Artemio

También puedes leer “¿Qué sabemos del bosón de Higgs?” de Alberto Casas y Teresa Rodrigo, un libro de 117 páginas publicado por el CSIC con fotos en color y diagramas. Resulta ameno de leer.

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