Se observa el bosón de Higgs en el canal H→bb en el LHC

Hace 6 años que se anunció el bosón de Higgs. El 58% de los Higgs que se producen en el LHC se desintegra en el canal H → bb̅, una pareja bottom-antibottom (pareja quark-antiquark de tipo bottom). Hasta 2008 se pensaba que sería imposible observar en el LHC el Higgs en este canal, pues el ruido de fondo es enorme. Esta semana se anuncia en el ICHEP 2018 que el detector ATLAS ha alcanzado 5.4 sigmas tras analizar 80 /fb de colisiones a 7, 8 y 13 TeV c.m. Hasta donde me consta, CMS solo ha alcanzado 3.8 sigmas en el canal H→bb (VH, ttH, ggH), pero pronto superará las 5 sigmas. Por tanto, podemos afirmar que el bosón de Higgs ha sido redescubierto en este canal de desintegración.

Todo ello gracias al trabajo pionero del físico teórico Jon Butterworth, famoso divulgador británico, y varios colegas, que descubrieron cómo lograr observar el Higgs en este canal si su masa estaba entre 120 y 130 GeV/c² usando el modo de producción VH (WH y ZH). En los canales de desintegración del Higgs en fermiones (H→bb, H→ττ, H→cc, H→μμ, …) también se han alcanzado cinco sigmas en el canal H→ττ (ATLAS+CMS alcanzaron 5.5 sigmas en agosto de 2016, logrando CMS 5.9 sigmas en abril de 2018 y ATLAS 6.4 sigmas en junio de 2018). Estos canales permiten confirmar que el acoplamiento del campo de Higgs a los fermiones (a los que dota de masa) corresponde con las predicciones del modelo estándar. Por cierto, para el acoplamiento con el quark top hay que usar el modo de producción asociado (pp→ttH y pp→tH), ya que un Higgs no se puede desintegrar en quarks top (la masa del Higgs es inferior a la del top). En el canal ttH se han alcanzado 6.3 sigmas en ATLAS usando 80 /fb de colisiones.

Los últimos resultados sobre física de partículas están apareciendo en la XXXIX International Conference on High Energy Physics (ICHEP 2018), Seúl (Corea), 4-11 julio 2018. El nuevo resultado de ATLAS ha aparecido en la charla de Tancredi Carli (CERN), “ATLAS+ ALICE highlights,” ICHEP 2018, 09 Jul 2018 [indico]. También recomiendo las charlas de Pierluigi Bortignon (CMS), “The latest results of the measurement of the Higgs boson decaying to bottom quarks pair at CMS,” 05 Jul 2018 [indico], y Yuji Enari (ATLAS), “Evidence for Higgs boson production in decays to two b-quarks using the ATLAS detector,” 05 Jul 2018 [indico]. El artículo citado es Jonathan M. Butterworth, Adam R. Davison, …, Gavin P. Salam, “Jet substructure as a new Higgs search channel at the LHC,” Phys. Rev. Lett. 100: 242001 (2008), doi: 10.1103/PhysRevLett.100.242001, arXiv:0802.2470 [hep-ph]. Sobre el estado actual de los cálculos teóricos del fondo recomiendo Fernando Febres Cordero (Univ. Freiburg), “Background study of HW production with the Higgs decaying to a b-quark pair,” 05 Jul 2018 [indico].

Para el estado actual de la desintegración del Higgs en un par de taus recomiendo Abdollah Mohammadi (CMS), “The latest results of the measurement of the Higgs boson decaying to tau lepton pairs at CMS,” 05 Jul 2018 [indico] y Zinonas Zinonos (ATLAS), “Higgs boson production in decays to two tau leptons using the ATLAS detector,” 05 Jul 2018 [indico]. En el cas ode la desintegración en un par de muones (aún muy lejos de una observación) Haifeng Li (ATLAS), “Search for rare decays of the Higgs boson,” 05 Jul 2018 [indico], y Raffaele Angelo Gerosa (CMS), “Searches of Higgs boson rare decays at CMS,” 05 Jul 2018 [indico].

[PS 10 Jul 2018] Recomiendo también ATLAS Collaboration, “Higgs boson observed decaying to b quarks – at last!” Atlas News, 09 Jul 2018. El análisis de los datos del LHC Run 2 a 13 TeV en 2015, 2016 y 2017 conduce a 4.9 σ, que alcanza 5.4 σ combinado con el LHC Run 1 a 7 y 8 TeV. [/PS]

Este suceso de ATLAS muestra una colisión pp → ZH, con Z → νν (la línea punteada corresponde a la energía perdida asociada a los dos neutrinos) y H → bb (los dos conos verdes asociados a sendos chorros que excitan los calorímetros hadrónicos en amarillo). Por cierto, este suceso es del LHC Run 1, en concreto, del 09 de junio de 2012.

Esta figura resume la historia de la observación del Higgs en el canal H → bb̅. Como puedes observa se esperaba que a finales de 2018 se alcanzaran las cinco sigmas que se requieren para un descubrimiento. Como puedes ver se trata de un camino largo desde 2012, que ha requerido muchos años de trabajo, tanto para la acumulación de colisiones como para los análisis de los datos. Este proceso se tiene que repetir para cada uno de los canales de desintegración del Higgs en los que aún no ha sido observado. Hay que estudiar el bosón de Higgs en todos los frentes posibles, pues en cualquiera de ellos se podría ocultar algún indicio de física más allá del modelo estándar.

La clave para la observación del canal H → bb̅, es la producción asociada a un bosón vectorial (pp→VH), donde el bosón vectorial V se desintegra en leptones (para V=Z en un par de electrones o un par de muones, y para V=W en un neutrino y un electrón o un muón). Este golden channel requiere el análisis de colisiones con chorros hadrónicos que presentan una subestructura, con señales muy colimadas (boosted) asociadas a la desintegración de partículas de gran masa, como W, Z, H y t, y muy alta energía. En el último lustro han mejorado mucho las técnicas de análisis de este tipo de chorros, incluso bajo el enorme fondo de ruido hadrónico de las colisiones del LHC. Un trabajo muy duro cuya recompensa es poder observar lo que hace una década parecía imposible de observar.

4 comentarios

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Antonio Abellan Antonio Abellan

La presentacion y detalles es francamente ilustrativa y amable , primera vez que veo un analsis sobre el Bosón de Higgs tan bien presentado .

Manfred Manfred

Increíble!
Me encantaría entender todo a la perfección, hay muchas cosas en este post que me causan curiosidad y en definitivo que quiero saciarla. Muchas gracias Francis!

Alvaro Verdion Alvaro Verdion

Alguna vez te he escuchado decir que no habían descubierto EL Higgs, sino UN Higgs. Nunca llegue a entender bien lo de un Higgs, me pregunto si estos descubrimientos aportan algo a lo que ya se sabia del Higgs o si ‘solo’ confirman lo descubierto en 2012.

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Alvaro, en junio de 2012 se observó un nuevo bosón, en diciembre de 2012 casi seguro era un bosón de espín cero (se descartó que fuera de espín 2), en junio de 2013 casi seguro era escalar (se descartó que fuera pseudoescalar), y así de forma sucesiva se van conociendo sus propiedades y comparándolas con las predichas por la teoría. Hay cientos de propiedades (según la teoría) que hay que estudiar; solo se han estudiado unas diez propiedades. Hay que seguir estudiando la nueva partícula durante décadas para confirmar que se trata del bosón de Higgs predicho por la teoría.

Ahora mismo, lo más importante es verificar que el potencial es el predicho por Brout-Englert-Higgs. Pero hacerlo con el LHC es casi imposible; así que habrá que esperar al HL-LHC y futuros colisionadores. Hasta la década de 2030 no sabremos si el bosón de Higgs anunciado en 2012 se parece lo suficiente al predicho por el modelo estándar para recibir dicho nombre. Ahora bien, desde junio de 2013, la nueva partícula será llamada bosón de Higgs aunque difiera en ciertas propiedades del predicho por la teoría y que recibió el Nobel en 2013.

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