Un nuevo campo de Higgs explicaría el incremento de la masa del bosón W

Por Francisco R. Villatoro, el 18 abril, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 9

En el modelo estándar la masa del bosón W es proporcional a la energía del vacío del campo de Higgs y a la constante de acoplamiento electrodébil. Cambiar dicha masa significa cambiar muchas predicciones del modelo estándar, como la masa del bosón Z y la masa del quark top. Pero hay una manera de hacerlo sin cambiar absolutamente nada, introducir un nuevo campo de Higgs. Lo más fácil es añadir un nuevo campo de Higgs de tipo triplete con hipercarga Y = 1 (modelo de Ross–Veltman), que implicaría la existencia de tres nuevos bosones de Higgs, H, H+ y H; recuerda que el bosón de Higgs h anunciado en 2012 está asociado a un campo de Higgs de tipo doblete con hipercarga Y=1/2. Como el cambio de la masa del bosón W es muy pequeño, basta que la energía del vacío del nuevo campo de Higgs sea tan pequeña como 5.4 GeV (recuerda que la energía del vacío del campo de Higgs es de 246.22 GeV [PDG 2020, PDF]). La masa de los nuevos bosones de Higgs podría estar en la escala electrodébil y si fuera mayor de unos 600 GeV/c² habría escapado a todas las búsquedas hasta ahora.

Nos han propuesto esta posibilidad Perez et al. y Kanemura et al. Por supuesto, otra posibilidad sería un nuevo campo de Higgs de tipo doblete (modelo 2HDM), lo que implicaría la existencia de cuatro nuevos bosones de Higgs, dos neutros, uno CP-par H y otro CP-impar A, y dos cargados, H+ y H, como proponen Ahn et al. y Heo et al. Incluso se puede añadir a este nuevo doblete un nuevo campo de Higgs de tipo singlete (modelo N2HDM), como proponen Biekötter et al. Como puedes imaginar en el sector del Higgs hay muchísimas posibilidades (como añadir dos nuevos dobletes de Higgs como proponen Du et al). Quizás hayas notado que en el campo de Higgs del modelo estándar la masa del bosón de Higgs h y las masas de todas las partículas conocidas es menor que la energía de su vacío. Sin embargo, nada impide que ocurra lo contrario y en los nuevos campos de Higgs las masas de los nuevos bosones de Higgs tendrían que ser mayores que la energía de su vacío; el requisito clave es que los nuevos bosones de Higgs no estén acoplados a ninguna de las partículas del modelo estándar, salvo el bosón W, obviamente.

La existencia de más de un campo de Higgs ya fue propuesta en los 1970 (por ejemplo, en D. A. Ross, M. Veltman, «Neutral currents and the Higgs mechanism,» Nuclear Physics B 95: 135-147 (1975), doi:
https://doi.org/10.1016/0550-3213(75)90485-X). En el contexto de la nueva estimación de la masa del bosón W se ha propuesto como solución en Pavel Fileviez Perez, Hiren H. Patel, Alexis D. Plascencia, «On the W-mass and New Higgs Bosons,» arXiv:2204.07144 [hep-ph] (14 Apr 2022); Shinya Kanemura, Kei Yagyu, «Implication of the W boson mass anomaly at CDF II in the Higgs triplet model with a mass difference,» arXiv:2204.07511 [hep-ph] (15 Apr 2022); Yang Hwan Ahn, Sin Kyu Kang, Raymundo Ramos, «Implications of New CDF-II W Boson Mass on Two Higgs Doublet Model,» arXiv:2204.06485 [hep-ph] (13 Apr 2022); Yongtae Heo, Dong-Won Jung, Jae Sik Lee, «Impact of the CDF W-mass anomaly on two Higgs doublet model,» arXiv:2204.05728 [hep-ph] (12 Apr 2022); Thomas Biekötter, Sven Heinemeyer, Georg Weiglein, «Excesses in the low-mass Higgs-boson search and the W-boson mass measurement,» arXiv:2204.05975 [hep-ph] (12 Apr 2022); Xiao Kang Du, Zhuang Li, …, Ying Kai Zhang, «Explaining The New CDFII W-Boson Mass In The Georgi-Machacek Extension Models,» arXiv:2204.05760 [hep-ph] (12 Apr 2022); Luca Di Luzio, Ramona Gröber, Paride Paradisi, «Higgs physics confronts the MW anomaly,» arXiv:2204.05284 [hep-ph] (11 Apr 2022); Pouya Asadi, Cari Cesarotti, …, Aditya Parikh, «Oblique Lessons from the W Mass Measurement at CDF II,» arXiv:2204.05283 [hep-ph] (11 Apr 2022); Luca Di Luzio, Ramona Gröber, Paride Paradisi, «Higgs physics confronts the MW anomaly,» arXiv:2204.05284 [hep-ph] (11 Apr 2022); Emanuele Bagnaschi, John Ellis, …, Tevong You, «SMEFT Analysis of mWarXiv:2204.05260 [hep-ph] (11 Apr 2022); JiJi Fan, Lingfeng Li, …, Kun-Feng Lyu, «W-Boson Mass, Electroweak Precision Tests and SMEFT,» arXiv:2204.04805 [hep-ph] (11 Apr 2022); entre otros.

A nivel divulgativo recomiendo la pieza de Matt Strassler, «The Simplest Way to Shift the W Boson Mass?» Of Particular Significance, 13 Apr 2022.

Se puede aceptar «pulpo como animal de compañía», quiero decir la masa del bosón W por el nuevo valor obtenido por CDF II del Tevatrón (que te recuerdo que es de 80433.5 ± 9.4 MeV/c², obtenida tras observar 1 811 700 eventos de tipo W→eν y 2 424 486 tipo W→μν, a más de 7 sigmas de la predicción teórica del modelo estándar de 80357 ± 6 MeV/c²). Tras aceptar dicho valor se pueden reajustar el resto de los parámetros del modelo estándar (como muestra la figura a la izquierda). Los cambios más relevantes ocurren en la predicción para la masas del bosón Z y del quark top, que pasarían a desviarse en unas dos sigmas; no parecen muchas sigmas, pero sería un resultado incoherente con la medida de la masa del bosón Z obtenida por el propio CDF II (así aceptar un valor anómalo para el W nos llevaría a aceptar otro valor anómalo para el Z). Te recuerdo que CDF II ha medido una masa para el bosón Z de 91192.0 ± 6.4 ± 4.0 MeV/c², en perfecto acuerdo con la predicción del modelo estándar de 91187.6 ± 2.1 MeV/c² (para dicha estimación se han observado 66 180 eventos tipo Z→ee y 238 534 tipo Z→μμ). Estas figuras son del artículo de Chih-Ting Lu, Lei Wu, …, Bin Zhu, «Electroweak Precision Fit and New Physics in light of W Boson Mass,» arXiv:2204.03796 [hep-ph] (08 Apr 2022).

Se han publicado muchísimas explicaciones alternativas al valor anormalmente alto de la masa del bosón W obtenido por CDF II (a día son unos 40 artículos y dicho número sigue creciendo día a día). La mayoría de las propuestas ha intentado matar más de un pájaro con el mismo tiro, así se intenta explicar también el momento magnético anómalo del muón g−2, o se sugiere un posible candidato para la materia oscura. Presentar todas y cada una de estas propuestas nos llevaría mucho espacio y, la verdad, no creo que aportara nada interesante. Se está produciendo un nuevo tsunami de publicaciones científicas en física teórica.



9 Comentarios

  1. Francis creo recordar haberte leído que igual el bosón de Higgs no era sólo uno, que había la posibilidad de que el campo de Higgs tuviera dos o incluso tres bosones. Estaríamos hablando aquí de lo mismo? O se refiere a otro campo de Higgs? Sería posible cambiar el valor de la masa del boson W si hubiera más de un bosón asociado al campo de Higgs??

    1. Víctor, en el modelo estándar el campo de Higgs es un doblete complejo, es decir, cuatro (componentes de) campos; a baja energía tres de esas componentes se observan como las tres componentes longitudinales de los bosones vectoriales débiles, solo siendo observable como partícula la cuarta (el bosón de Higgs ya observado).

      En las propuestas que comento se añaden nuevos campos de Higgs (un triplete real, o un nuevo doblete complejp, etc.) Como solo están acoplados al bosón W todas sus nuevas componentes se pueden observar como nuevas partículas de tipo escalar (algunas neutras y otras cargadas).

  2. Qué tal Francis,

    Precisamente estos días estaba releyendo entradas antiguas del foro, y llegué a esta lectura:

    https://francis.naukas.com/2010/04/22/vi-carnaval-de-fisica-lo-que-nos-dira-el-lhc-del-cern-sobre-la-masa-del-boson-w/

    En esa gráfica se ve como su valor (o el de la incertidumbre) va acercándose más y más al valor teórico, y ahora parece haber saltado por los aires y volvemos al primer valor de esa gráfica.

    No soy experto (ni siquiera físico 😉 , pero me da que hay más ruido que piedras, y en este desbarajuste de más y más nuevas explicaciones, quizás cada cual más extraña, solo intentan recavar, no sé… financiaciones, primeras portadas, prestigo, etc.

    ¿Realmente se piensa que tras años de resultados expirementales hay que echar el edificio abajo? No sé, me parecería muy extraño que no fuese nada más que un error en alguna parte del cálculo.

  3. Hola Francis:
    Desde la ignorancia más supina, pero la curiosidad más exacerbada te hago la siguiente pregunta:

    ¿Con estos nuevos marcos teóricos se podría explicar la desintegración del mesón B?
    Y aprovechando lo de la desintegración del mesón B, ¿Hay novedades de Joaquim Matías al respecto?

    Gracias por tu blog e intervenciones en coffee break.

    Cuídate y un saludo.

    1. Jonny, las anomalías en las desintegraciones de mesones B están asociadas a unos parámetros técnicos que vienen determinados por los ángulos de salida de los productos; no influye de forma directa la masa del bosón W, así que la nueva medida de CDF II no permite explicar dicha diferencia (obviamente, de forma indirecta podría haber algún efecto).

      De hecho, Joaquim Matias propuso en enero de 2022 que la existencia de un nuevo bosón Z’ para explicar la desintegración de mesones B también implicaría que la masa del bosón W tendría que ser un poco más grande que la predicción del modelo estándar; el incremento depende del cociente de masas del Z’ y del Z; por desgracia, el cambio en la masa del W medida por CDF II es tan pequeño implicaría que el bosón Z’ tendría que ser muy parecida a la del bosón Z, lo que está descartado por las observaciones (los cálculos de Matias apuntan a un bosón Z’ en la escala O(TeV), cientos de veces más masivo que el Z). El artículo es Marcel Algueró, Andreas Crivellin, …, Joaquim Matias, «Importance of Z−Z′ Mixing in b→sℓ+ℓ− and the W mass,» arXiv:2201.08170 [hep-ph] (20 Jan 2022) https://arxiv.org/abs/2201.08170.

      En cualquier caso, en un artículo de revisón de Matias y sus colegas comentan que se ha propuesto un nuevo Z’ ligero en la escala O(MeV); con la fórmula del anterior artículo se podría explicar la anomalía de masa del bosón W observado por CDF II. Recomiendo leer la página 19 de David London, Joaquim Matias, «B Flavour Anomalies: 2021 Theoretical Status Report,» arXiv:2110.13270 [hep-ph] (25 Oct 2021) https://arxiv.org/abs/2110.13270. Supongo que Matias y sus colegas publicarán pronto algún nuevo artículo tratando de reajustar sus cálculos para que se aproximen a la nueva medida de CDF II (quizás sea posible hacerlo con un bosón Z’ ligero capaz de escapar a todas las búsquedas emprendidas hasta ahora).

  4. Hola, desde mi entender nueva física hay,
    eso seguro.
    Puede que no se ha visto del todo,
    pero, la colita sí.
    Quien no lo crea, que espere.

    Un saludo y gracias.

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