Y si la masa del bosón de Higgs maximizara su desintegración en pares de fotones

Por Francisco R. Villatoro, el 11 agosto, 2014. Categoría(s): Bosón de Higgs • Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 4

Dibujo20140811 higgs br and decays - lhc higgs cross-sections group

Una manera de postdecir la masa del bosón de Higgs (125,2 ± 0,5 GeV/c²) es maximizar la tasa de desintegración de esta partícula en fotones según el modelo estándar (125,4 ± 0,4 GeV/c² calculado con HDECAY). ¿Hay algún principio físico oculto en este hecho o se trata de pura casualidad? Seguro que es pura numerología, pues no hay acoplo directo entre el Higgs y los fotones (pues no tienen masa). Más aún, la figura del LHC Higgs CSWG muestra que el “pico” es bastante ancho, como cabe esperar por el acoplo indirecto del Higgs con los fotones vía quarks top o bosones W. El modelo estándar da bastante juego para este tipo de postdicciones a dos sigmas.

¿Pero y si hubiera un principio físico oculto? Exploran las consecuencias los brasileños Alexandre Alves, E. Ramirez Barreto, A. G. Dias, “Is There a Hidden Principle in the Higgs Boson Decay to Photons?,” arXiv:1312.5333 [hep-ph]. La figura de las desintegraciones del Higgs está extraída de The LHC Higgs Cross Section Working Group, “Handbook of LHC Higgs Cross Sections: 3. Higgs Properties,” arXiv:1307.1347 [hep-ph].

Dibujo20140811 higgs boson mass in gev maximizing the branching ratio of various decays - arxiv
Valor de la masa del Higgs que maximiza su tasa de desintegración en varios canales.

Jugar con los números suele llevar a conclusiones engañosas (aunque haya excepciones en la historia de la física). Una de las razones por las que el canal H→γγ acompañó al canal “mágico” H→ZZ→4l fue que, por casualidad, la masa del Higgs maximiza su desintegración en pares de fotones. Otra razón es que, también por casualidad, ocurrió una fluctuación estadística “a favor” que produjo un exceso en esta tasa de desintegración en dos fotones tanto en CMS como en ATLAS (algo que ocurre sólo un 25% de las ocasiones). Ambas casualidades permitieron que el descubrimiento del Higgs a cinco sigmas se “adelantara” al 4 de julio de 2014 (cuando la esperanza estadística por el número de colisiones analizadas apuntaba a una observación a sólo cuatro sigmas, como yo adelanté en este blog el 3 de julio).

Dibujo20140811 product all decay branching ratios sm higgs boson below ttbar threshold - arxiv

De hecho, hay una casualidad aún más curiosa. El producto de todos las tasas de desintegración del bosón de Higgs del modelo estándar en el rango de masas entre 80 y 180 GeV tiene un máximo en 125 ± 0,2 GeV/c². Nos lo contó David d’Enterria, “On the (Gaussian) maximum at a mass m_H~125 GeV of the product of decay probabilities of the Standard Model Higgs boson,” arXiv:1208.1993 [hep-ph], quien también especuló con la posibilidad de un principio físico oculto en este hecho. Sin embargo, no estudió cómo cambia este valor en función de los parámetros del modelo estándar.

Sacar punta al lápiz alrededor de una pura casualidad es labor de físicos teóricos. Alves y sus colegas nos proponen analizar las posibles consecuencias de un posible principio físico que obligara a que la masa del Higgs fuera tal que maximizara la tasa de desintegración en el canal difotónico.

Dibujo20140811 Higgs branching ratio to diphotons as a function of higgs mass - arxiv

Se excluye una cuarta familia de partículas, pues incluso una familia ligera (como m(t’)=400 GeV, m(b’)=350 GeV, y m(l’)=100 GeV) haría que el pico fuera mayor de 150 GeV. También se limita el número de colores de los quarks, ya que el pico sería mayor de 131 GeV para más de tres colores. E incluso se excluiría un Higgs fermiófugo, pues entonces no habría máximo BR en el canal difotónico (que sería monótono decreciente).

Dibujo20140811 Higgs branching ratio - invisible higgs - dark matter coupling - arxiv

El acoplo del Higgs a una posible partícula de materia oscura (χ), el llamado Higgs invisible, afecta a la tasa de desintegración en dos fotones, BR(→γγ)=Γ(γγ)/(Γ(SM)+Γ(χχ). Para una partícula de materia oscura de baja masa, m(χ) < m(H)/2, compatible con los límites de exclusión de LHC8, XENON100, CDMSII, WMAP y LUX, se excluye todo el intervalo al 90% CL excepto la región entre 55 y 63 GeV/² (con un acoplo al Higgs de g(χ) < 0,01). Para masas grandes, m(χ) > m(H)/2, no se excluye ningún intervalo de masas.

Dibujo20140811 alpha vs tan beta plane for type-II thdm model - higgs boson - arxiv

En el caso de que exista más de un bosón de Higgs no se excluyen sus masas, pero sí los dos parámetros clave. Un modelo (tipo II HDM) con dos dobletes y cinco Higgs (dos escalares neutros, un pseudoescalar neutro y dos escalares cargados), está caracterizado por varios parámetros, pero sólo dos de ellos se pueden excluir, el parámetro de mezcla α y el cociente entre sus energías de vacío tan β (ver wikipedia). Esta figura muestra el resultado.

En resumen, el trabajo de  Alves y sus colegas es sugerente, aunque casi toda seguridad acabará en el cajón donde se guardan las propuestas teóricas que no describen de forma adecuada a la Naturaleza.



4 Comentarios

  1. Francisco, pregunta un poco off-topic: ¿conoces gráficos masa vs. eventos más actualizados que muestren el exceso del bosón de Higgs? Los que presentan en el scientific background del premio nobel son los mismos que los del PRL, tanto de CMS como ATLAS . Uno esperaría que apareciesen gráficos cada vez más “limpios”.

    1. Andrés, se publicaron nuevos datos en diciembre de 2012, verano de 2013, marzo de 2014 y los últimos son de julio de 2014 (muy similares a los de marzo). Busca Moriond 2014 en mi blog.

      Quizás merezca la pena que prepare un resumen con la situación actual, pues quizás haya muchos lectores que también estén un poco perdidos sobre la situación actual. Los avances han sido continuos, pero no espectaculares, y ahora mismo lo importante es preparar los análisis de los futuros datos de 2015 en el LHC a 13 TeV c.m.

      Prometo escribir una entrada en los próximos días…

  2. Lo último que he visto parecido a lo que comentas es este artículo, Francis:

    http://arxiv.org/abs/1408.0827

    Es interesante, pero el principio de MaxEnt aún no es visto generalmente como algo fundamental, a pesar de que en sí mismo hasta subyace (quizás) en principios como el de mínima acción (del que es un primo “segundo”, si no disfrazado). Dado el interés creciente en las ideas de “emergent physics (gravity, GR, QM, QFT…)” algo que nunca se ha dejado claro es cuál es el “metaprincipio” o “metaprincipios” de los que emanaría la teoría “madre”. Supercuerdas/teoría M han perdido ese referente incluso desde sus comienzos, porque aunque se conocen muchas de las simetrías de esas teorías y de otras, hoy día carecemos de un principio físico que nos lleve a la siguiente “gran simetría”. Supersimetría es por supuesto una idea poderosa, pero carece aún de sustento empírico más allá de poner en pie de igualdad a fermiones y bosones (algo que salvo en superconductividad con los pairons/pares de Cooper o en superfluidez y otros fenómenos) no ha dado muchas muestras (aunque supongo que algún lector dirá que SUSY está cuasidescubierta en los espectros nucleares o en el SM “a la bootstrap”). ¿Hay alternativas a SUSY o estándar SUSY? Seguro, y el LHC estará tras ello muy pronto…El año que viene promete ser fascinante…Y tras recolectar datos mucho más… El último “golpe” de CMS a W’ llega hasta (dependiendo de las hipótesis) los 10-11TeV…Así que, mucha gente debería desempolvar modelos no supersimétricos, no sólo los infinitos modelos supersimétricos modificados tras ser “smashed” pro LHC-Hulk… XD…

  3. Eso seria en extremo difícil por no decir que imposible ya que estudiar las partículas en conjunto resultaría demasiado desafiante para que nuestros instrumentos y mentes humanas lo lograran comprender, pero la ironía es que cuando se estudian dichas partículas individualmente indirectamente se termina por alterarles y asignarles valores que quizás nunca hubiesen existido originalmente pero que gracias a la intromisión del científico lograron existir, lo que al final termina por modificar en parte la legitima esencia o estado natural de la partícula.

    Tal vez los científicos solo han estudiado un pálido y borroso reflejo de la realidad, después de todo los modelos científicos no son mas que conjeturas especulativas del como y el porque de la existencia y el funcionamiento de la naturaleza, que por mas que se intentan imponer como dogmas absolutos y definitivos nunca logran llenar totalmente los vacíos de la propia ciencia.

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