El estudio del campo de Higgs en el futuro HL-LHC

Dibujo20140821 di-Higgs production and decay to four-bottoms - lh-lhc cern

El objetivo a largo plazo de la física del bosón de Higgs es estudiar el campo de Higgs. Para ello hay que observar las interacciones mutuas entre tres y cuatro bosones de Higgs. Lo más fácil es lograr que un Higgs se desintegre en un par de Higgs que a su vez se desintegren en dos pares bottom-antibottom (pp→HH→4b), un proceso que en el LHC a 14 TeV c.m. tiene una sección eficaz de unos 40 fb.

Para estudiar la producción de pares de Higgs por acoplo triple habrá que esperar al HL-LHC (el futuro LHC de alta luminosidad), que entre 2025 y 2030 acumulará unos 3000 /fb de colisiones a 14 TeV c.m. Hasta entonces, los 100 /fb que acumulará el LHC Run II entre 2015 y 2017, y los 350 /fb que acumulará el LHC Run III entre 2020 y 2022, serán insuficientes.

Hay que ser pacientes, pero la espera valdrá la pena. El HL-LHC permitirá estudiar el campo de Higgs y verificar si es responsable de la rotura de la simetría electrodébil. Un largo camino por recorrer, por ello debemos emprender el viaje cuanto antes. Ya hay físicos que están calculando las probabilidades teóricas de producción de pares Higgs en los futuros colisionadores de partículas.

Esta entrada está basada en Magdalena Slawinska et al., “Phenomenology of the trilinear Higgs coupling at proton-proton colliders,” arXiv:1408.5010 [hep-ph], y en las charlas de Danilo Enoque Ferreira de Lima, “Standard Model Higgs boson pair production in the (bb)(bb) final state,” BOOST2014, 19 Aug 2014 [PDF slides]; Nikos Konstantinidis et al., “Particle-level study of non-resonant HH→4b for HL-LHC,” BOOST2014, 19 Aug 2014 [PDF slides]; Alexandra Oliveira, “Heavy resonances in the di-higgs final state at LHC at 8 TeV and 13 TeV,” BOOST2014, 20 Aug 2014 [PDF slides]; Badder Marzocchi, “Boosted Higgs bosons in physics analyses,” BOOST2014, 20 Aug 2014 [PDF slides]; y Juan Rojo, “Boosting Strong Higgs Pair Production at the LHC,” BOOST2014, 21 Aug 2014 [PDF slides].

Dibujo20140821 Higgs potential - mathematica

El bosón escalar descubierto en 2012 en el LHC del CERN se acopla a las demás partículas como debe hacerlo el bosón de Higgs del Modelo Estándar, al menos hasta donde lo podemos verificar con las colisiones acumuladas hasta el momento. No hay desviaciones respecto a las predicciones teóricas. Sin embargo, no sabemos si este bosón es responsable del mecanismo de rotura espontánea de la simetría electrodébil.

La confirmación definitiva requiere estudiar el potencial al que está sometido el nuevo campo escalar y verificar que coincide con el del campo de Higgs (el famoso “sombrero mejicano”):

V(|\phi|^2)=\mu^2|\phi|^2+\lambda|\phi|^4,\qquad\lambda>0,\quad\mu^2<0.

Tras la rotura de la simetría \phi=(v+H^0)/\sqrt{2}, siendo v el vacío del campo y H^0 la excitación que da lugar a los bosones escalares. En función de los parámetros del potencial V(|\phi|^2), el vacío del campo es v^2=-\mu^2/\lambda y la masa de la partícula es m_H^2=-2\mu^2=2{\lambda}v^2. Para v=246\,\mbox{GeV} y m_H=125\,\mbox{GeV}/c^2 se tiene que \lambda\approx 0.13.

Para estudiar el potencial del campo de Higgs hay que observar las interacciones entre bosones de Higgs. Tras la rotura espontánea de la simetría el potencial efectivo del Higgs describe interacciones triples y cuádruples dadas por

\displaystyle V(H^0)=2\lambda v^2\frac{ (H^0)^2}{2}+6\lambda v\frac{(H^0)^3}{3!}+6\lambda\frac{(H^0)^4}{4!}-\frac{v^4\lambda}{4},

que podemos escribir como

\displaystyle V(H^0)=m_H^2\frac{(H^0)^2}{2}+\lambda_{3H}\frac{(H^0)^3}{3!}+\lambda_{4H}\frac{(H^0)^4}{4!}-\frac{v^4\lambda}{4}.

Los acoplos del Higgs del Modelo Estándar vienen dados por \lambda_{3H}={3 m_H^2}/{v}, y \lambda_{4H}={3 m_H^2}/{v^2}. En los próximos 15 años sólo podremos estudiar el acoplo triple \lambda_{3H} gracias al HL-LHC; el acoplo cuádruple \lambda_{4H} tendrá que esperar a un futuro colisionador de hadrones que alcance una energía de unos 100 TeV, o bien gracias a un colisionador de leptones que se comporte como una fábrica de Higgs.

Dibujo20140821 feynman diagrams - triple higgs vertex - boost2014

La desintegración más probable de un Higgs cuya masa es de 125 GeV es en un par bottom-antibottom (b\overline{b}), donde el quark y el antiquark producen sendos chorros hadrónicos. El problema es que el fondo de ruido es muy grande (la relación señal/ruido es de unos 0,0006). Sin embargo, la probabilidad de desintegración de un par de Higgs en dos pares ZZ* (ocho leptones) o en cuatro fotones es extremadamente baja para permitir una observación, ni siquiera en un colisionador hadrónico a 100 TeV.

El lector sagaz se preguntará por qué hay físicos estudiando los sucesos pp→HH→4b cuando no se podrán observar en menos de una década. La razón es siempre la misma. Muchos físicos tienen una fe ciega en la existencia de nueva física más allá del modelo estándar a baja energía. Muchas de las teorías que extienden el modelo estándar predicen bosones escalares similares al Higgs (impostores del Higgs), que sólo se diferencian en su autoacoplo (que normalmente está reforzado). La observación de un exceso inesperado de este tipo de sucesos en el LHC, tanto en el Run II como en el Run III, será una señal clara de nueva física más allá del modelo estándar.

Por supuesto, los análisis de estos sucesos no son fáciles de ejecutar. Estos sucesos presentan gran número de chorros hadrónicos que requieren unas técnicas de análisis. Por fortuna están mejorando mucho. Buen ejemplo son las charlas de la conferencia BOOST2014 (6th International Workshop on Boosted Object Phenomenology, Reconstruction and Searches in HEP), 18-22 Aug 2014.



8 Comentarios

  1. La pregunta que yo me hago es :
    Hacia donde lleva saber que la ruptura expontanea de la simetria de la fuerza electrodebil es causada por el/ los higgs ?
    Que implicaciones tiene saberlo y que se sacaria en claro para nuestro universo?
    Podria eso implicar nueva fisica para el modelo estandar o entraría dentro de éste sin mas variaciones. Me encanta lo que escribes y como lo haces, enhorabuena , soy asiduo seguidor. Aunque no soy experto ni de lejos en la materia, me hago una idea mental (siempre lejos de la cruda “realidad”) de como puede funcionar este increible universo en el que vivimos. Gracias por tu labor divulgativa.

    1. Sergio, mi entrada contesta a tu pregunta, que por tanto es retórica. Si quieres, te repito la respuesta que está escrita en la propia entrada.

      Confirmar que la rotura espontánea de la simetría electrodébil es debida al campo de Higgs equivale a confirmar una predicción del modelo estándar (hay muchas más), quizás su predicción más novedosa (cuando fue propuesto hace 40 años). Para confirmar esta predicción primero hay que encontrar la partícula del campo de Higgs (un bosón escalar al que llamamos “bosón de Higgs”) y luego estudiar cómo interaccionan estas partículas entre sí (no lo hemos logrado aún). No basta con saber cómo interacciona con las demás partículas conocidas (hasta ahora parece que lo hace como debe). ¿Por qué? Porque muchas teorías más allá del modelo estándar (hay cientos) predicen bosones escalares que se comportan de manera parecida al bosón de Higgs (caso de que tengan la misma masa). Pero estos bosones no son la partícula del campo de Higgs (aunque hoy y siempre la partícula el bosón escalar encontrado en 2012 se llama y se llamará “bosón de Higgs”).

      Caso de que el “bosón de Higgs” descubierto 2012 no sea el bosón del “campo de Higgs predicho por el modelo estándar” sería la primera señal de física más allá del modelo estándar. Como es obvio, hablar por hablar no nos lleva a ningún sitio. Mientras no sepamos qué lo diferencia no sabremos qué consecuencias tiene. Hay cientos de teorías posibles con miles de predicciones diferentes.

      Lo que te debe quedar claro es que, por ahora, todo indica que el Higgs es el bosón del campo predicho. Igual que el quark top observado en 1994 es la partícula del campo top predicho por el modelo estándar. Pero en el futuro se puede descubrir que nos hemos estado engañando durante décadas y el “quark top observado” no es el predicho o el “bosón de Higgs observado” no es el predicho. En su caso, repito de nuevo, será la primera señal de nueva física.

      Saludos
      Francis

      1. Ahora me ha quedado mas claro, pasa poco mas o menos igual con la teoria de la relatividad general y la teoria cuantica, son ciertas las dos pero incompletas , hasta que se descubra donde se unen o que otra teoria mas acertada las sustituya. Gracias por la aclaracion ” retórica” pero me ha servido de mucho para entenderlo un poco mejor.
        Saludos
        Sergio.

  2. Francis, entonces se entiende que el HE-LHC a 30 TeV, suponiendo que puedan lograr imanes de 20 Teslas ¿se realizaría a partir de 2030 o cabría la posibilidad de implementarlo a la vez que el HL-LHC en 2025 y sin tener que excavar un túnel más largo?

  3. Off-topic: Hay rumores que indican que el próximo 1 de Septiembre se publicarán en Arxiv los resultados de Planck sobre el polvo galáctico en la región estudiada por BICEP2: http://telescoper.wordpress.com/2014/08/21/bicep2-watch-this-space/
    Si esto es cierto pronto sabremos si el descubrimiento cosmológico más importante de los últimos tiempos se mantiene o si se lo traga el polvo, aunque parece que las apuestas pintan mal para BICEP2.

    1. Planck, lo comenté en Twitter cuando se publicó la entrada. En cualquier caso creo que se trata de “en las latitudes de la región estudiada por BICEP2” que no es exactamente lo mismo que “en la región estudiada por BICEP2”. Habrá que estar al loro.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 22 agosto, 2014
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