La gran aventura de la física de precisión del Higgs

Por Francisco R. Villatoro, el 13 mayo, 2015. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Physics • Science ✎ 5

Dibujo20150219 susy - composite higgs - kanemura tsumura yagyu yokoya - higgs coupling models - lhc - ilc

Hace cuatro años muchos físicos teóricos jugaban a imaginar que el bosón de Higgs no existía. Ahora muchos físicos creen que se ha descubierto la partícula predicha por el modelo estándar y que no hemos aprendido nada nuevo. Sin embargo, como en el caso del fondo cósmico de microondas, lo interesante está en los detalles. Aún quedan muchos años para que la física del Higgs nos ofrezca todos sus frutos. Cada nueva partícula es una puerta al más allá que debemos explorar. Quizás descubramos física más allá del modelo estándar gracias a la física del Higgs.

El Higgs tiene una masa m de unos 125 GeV. El teorema del desacoplo de Howard Haber afirma que si existen partículas de gran masa M>m, cambiarán en m²/M² los acoplos del Higgs con las partículas de baja masa. Por ello es muy importante el estudio de gran precisión de los acoplos del Higgs a partículas como el quark bottom, el leptón tau, o los bosones W y Z. El efecto depende del modelo y hay cientos de ellos, pero en la mayoría de los casos son desviaciones menores de un 5%. Pequeñas para que las pueda medir el LHC del CERN. Quizás haya que esperar a una fábrica de Higgs, el futuro ILC (International Linear Collider).

Nos lo cuenta M. E. Peskin, “Secrets of the Higgs Boson,” Higgs as a Probe of New Physics 2015 (HPNP2015), Gokayama, Toyama, Japón, 11-15 Feb 2015 [PDF slides]. Recomiendo leer también D.M. Asner et al., “ILC Higgs White Paper,” arXiv:1310.0763 [hep-ph], y Shinya Kanemura et al., “Fingerprinting non-minimal Higgs sectors,” arXiv:1406.3294 [hep-ph].

Dibujo20150219 kanemura tsumura yagyu yokoya - higgs coupling models - lhc - ilc

En esta figura LHC20, LHC300 y LHC3000 corresponden a los Run I, II y III del LHC (acumular 20 /fb, 300 /fb y 3000 /fb de colisiones protón contra protón a 14 TeV c.m.), mientras que ILC500 e ILC250 corresponden a colisiones electrón contra positrón a 500 GeV y 250 GeV c.m. Se considera un modelo con cinco Higgs (dos dobletes o THDM), que para cos(β-α) corresponden al modelo MSSM (modelo estándar mínimo con supersimetría). Por supuesto hay muchísimos otros modelos. Lo único que quiero destacar con esta figura es la gran ventaja que se obtendrá en la física de precisión del Higgs gracias al futuro ILC.

Dibujo20150219 expected precisions on Higgs boson couplings and total width - arxiv - ilc

Los parámetros en los ejes de la figura y en esta tabla se llaman factores de escala y son iguales a la unidad en el modelo estándar. Para los físicos escribo la fórmula

\displaystyle\mathcal{L}=\kappa_Vh\Big(\frac{m_W^2}{v}W^{+\mu}W^-_\mu+\frac12\frac{m_Z^2}{v} Z^\mu Z_\mu \Big)-\sum_f\kappa_f{h}\frac{m_f}{v}\bar{f}f,

 

donde en el modelo THDM se tiene \kappa_V=\sin(\beta-\alpha) y los valores de \kappa_f corresponden a los acoplos de Yukawa. Más información en Kei Yagyu, “Higgs Boson Couplings as a Probe of New Physics,” HPNP2015, Feb. 11th, 2015 [Slides – PDF].

Dibujo20150219 ILC design

Dibujo20150510 ILC detectors - SiD and ILD - u-toyama ac jp hpnp2015 slides

El futuro de la física de precisión del Higgs para por el futuro ILC (International Linear Collider) que se construirá en Japón. Este colisionador lineal de leptones, electrón contra positrón, debería alcanzar una energía de 500 GeV c.m. (dos haces acelerados a 250GeV). La radiación sincrotrón impide concebir un acelerador de leptones circular mayor que LEP, luego se usará un diseño lineal, con dos ramas de 11 km para acelerar electrones y positrones (totalizando 22 km). El punto de colisión se situará en el centro del colisinador con dos detectores diferentes e independientes llamados SiD e ILD. Más información en Keisuke Fujii (KEK), “ILC Physics (with focus mostly on Higgs),” HPNP2015, Gokayama, Toyama, Japón, 11-15 Feb 2015 [PDF slides].

Dibujo20150510 Higgs SM lagrangian - couplings and self-couplings - u-toyama ac jp theory hpnp2015 slides

El ILC será una fábrica de Higgs y su objetivo científico es verificar si la partícula descubierta en el LHC se comporta como la describe el lagrangiano del modelo estándar. Lo más importante son los auto-acoplos (la manera más directa de estudiar el campo de Higgs como tal), es decir, cómo el Higgs interacciona con otros Higgs, lo que requiere producir varios Higgs en la misma colisión. En el LHC realizar este tipo de análisis es muy difícil, aunque será una de las prioridades de los Run II y Run III, así como del futuro HL-LHC (si llega a construirse). Más detalles en Reisaburo Tanaka, “Measurement of Higgs boson propertes at te LHC,” HPNP2015, Toyama, Japan, Feb 11, 2015 [Slides – PDF].

Dibujo20150219 ILC Higgs production cross section - zh - ww - zz - sm

La colisión de dos fermiones da lugar a la producción de un Higgs con una probabilidad que depende de su acoplo al campo de Higgs, es decir, de su masa. Los electrones tienen tan poca masa que es imposible diseñar la producción directa de un Higgs (la mayoría de los Higgs en el LHC Run II se producen por la colisión de dos quarks top (par top-antitop) producido vía fusión de gluones y un vértice triangular de Wilczek). En el ILC los Higgs se producirán por Higgs-strahlung, se produce un bosón Z que radia un Higgs (ee → Z → ZH). También se observarán Higgs producidos por fusión de bosones vectoriales cargados (ee → (WW → H) → ννH) y neutros (ee → (ZZ → H) → eeH). Esta figura ilustra estos modos y su sección eficaz de producción en función de la energía en el centro de masas. Para colisiones 125+125 = 250 GeV c.m. (CLIC) domina el Higgs-strahlung y para 250+250 = 500 GeV c.m. (ILC) domina la fusión de bosones cargados.

 

Dibujo20150510 ILC japan site

El ILC se construirá en Kitakami (Japón), ciudad que compitió con Sefuri. A unos 406 km de distancia de Tokio, Kitakami se encuentra a 2 horas en tren. La mayor ciudad cercana es Sendai, capital de Miyagi, donde se encuentra la famosa Universidad de Tohoku.

Dibujo20150510 ILC - general overview - linearcollider org

Se estima que su coste estará entre 5000 y 10000 millones de euros. Europa debería contribuir con el 25%, Asia con el 50% y América con el otro 25%. No sabemos cuándo se iniciará la construcción y cuándo estará finalizado. Pero será difícil que esté antes de 2030. Mientras tanto tendremos que conformarnos con las colisiones del LHC y sus sucesores (o HL-LHC o HE-LHC o VLHC o quien sabe lo que se decidirá).

 



5 Comentarios

  1. Los fundamentos de la ciencia se han criticado y superado numerosas veces, así es justo como avanza la ciencia.
    Pero claro, para cambiar los fundamentos de la física hace falta algo más que lanzar preguntas al aire….ya se sabe, afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias

    1. Menuda empanada mental tienes amigo. Si lo que pretendías era emular a Antonio Ozores o los hermanos Marx entonces tu comentario es brillante, si lo que pretendías era poner algo serio sobre ciencia entonces las risas se tornan en llantos y verguenza ajena. Quizás te has empapado demasiado con chorradas pseudofilosóficas, quizás has mezclado cosas que has leído con cosas que crees ciertas y las has mezclado de forma incoherente o quizás todo a la vez. Un consejo: lee, estudia y aprende sobre que es y como funciona la ciencia antes de poner majaderías.
      PD: Dudo mucho que Tomás de Aquino supiera mucho del pensamiento científico actual debes actualizarte un poco amigo, tu “sistema operativo” todavía funciona en un “ZX Spectrum” 😀

    2. Yo recomendaría leer “El camino a la realidad” de Roger Penrose. Analiza ya en los primeros capítulos ese nexo (inexistente o no) entre matemáticas y física.

      (Aunque rudo, concuerdo con planck).

    3. Josejuan, por cierto, el capítulo 34 del libro de Penrose es uno de los más flojos de todo el libro. Sus ideas sobre la realidad objetiva son muy discutibles (y han sido discutidas durante un par de milenios). Cualquier persona versada en la filosofía de la ciencia del siglo XX encontrará dicho capítulo bastante flojo.

    4. Ramiro, la solución supersimétrica del problema de la jerarquía se basa en introducir nuevas partículas (nuevos campos). Hay muchas soluciones no supersimétricas, en las que las nuevas partículas (nuevos campos) no tienen nada que ver con la SUSY (p.ej. technicolor, little Higgs, etc.). La mayoría están diseñadas para ofrecer algo observable en la escala electrodébil. Si nos olvidamos de este detalle hay muchísimas más posibilidades.

      La supersimetría, como otras ideas nativas de alta energía, son muy difíciles de probar, pues cualquier señal que se observe (partícula nueva) podría tener una explicación no supersimétrica (habrá que observar toda una familia de partículas para tener unas mínimas garantías de que se trata de partículas supersimétricas). En ciertos círculos se afirma que la supersimetría no es falsable (a baja energía, porque siempre podría esconderse a mayor energía), igual que se afirma que la teoría de cuerdas no es falsable.

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