Diez años del anuncio del bosón de Higgs por ATLAS y CMS del LHC

Por Francisco R. Villatoro, el 5 julio, 2022. Categoría(s): Bosón de Higgs • Ciencia • Física • LHC - CERN • Nature • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 7

El 4 de julio de 2012 se anunció la observación del bosón de Higgs en los detectores ATLAS y CMS del LHC en el CERN. Con motivo de su décimo aniversario, la revista Nature ha publicado sendos artículos de ATLAS y CMS sobre lo que sabemos hoy del bosón de Higgs gracias al LHC Run 2. Su interacción con los bosones W y Z, y con los fermiones cargados de tercera generación (quarks bottom y top, y leptón tau) se ajusta de forma excelente con la predicción del modelo estándar. El LHC Run 3, que se inicia el 5 de julio de 2022, promete  que en un lustro logrará algo similar para su interacción con el muón. Para su interacción con el quark charm habrá que esperar una década hasta el futuro HL-LHC. Para su interacción con el electrón y quizás con el quark strange habrá que esperar más de dos décadas a una futura fábrica de Higgs (un colisionador electrón-positrón a unos 250 GeV c.m.). Y aún quedará lo más relevante, estudiar la interacción entre tres bosones de Higgs, que determina el potencial del campo de Higgs; la prueba de fuego que decidirá si es correcto el modelo de Brout–Englert–Higgs, que fue premiado con el Nobel de Física en 2013.

El campo de Higgs es el único del modelo estándar que tiene más de un vacío; en concreto, un vacío a una energía de v = 246.22 GeV a baja energía y otro vacío a energía cero a alta energía (el resto de los campos solo tienen una vacío a energía cero); la masa de todos los fermiones cargados viene dada por y v, donde y<1 es el llamado acomplamiento de Yukawa. El bosón de Higgs tiene una masa de m = 125.10 GeV/c². La masa mf(E) de un fermióndecrece conforme crece la escala de energía en la que se mide; de hecho, en teoría, su valor se anulará E > v (algo aún no confirmado en los experimentos, aunque hace muchas décadas que se confirmó que decrece con la energía). En marzo se publicó en Physical Review Letters una nueva medida de la masa del quark bottom a la escala de energía del Higgs. Su masa a la escala de energía de su propia masa se estima en mb(mb≈4 GeV) = 4.18 ± 0.03 GeV/c², y a la escala de energía de la masa del bosón Z en mb(mZ≈91 GeV) = 2.82 ± 0.28 GeV/c². El nuevo artículo estima que a la escala de energía del bosón de Higgs es mb(mH≈125 GeV) = 2.60 ± 0.36 GeV/c².

Sabemos que el modelo estándar es una teoría efectiva, aunque a sus 50 años ajusta casi a la perfección las observaciones en colisionadores de partículas (por ahora no se puede descartar que las múltiples anomalías observadas sean debidas a una estimación teórica incorrecta de las predicciones del modelo estándar). Necesitamos medidas de ultraprecisión de todos los parámetros del modelo estándar para desvelar indicios de la física más allá del modelo estándar. Necesitamos nuevos supercolisionadores de partículas en el siglo XXI. Los artículos publicados en Nature son The CMS Collaboration, «A portrait of the Higgs boson by the CMS experiment ten years after the discovery,» Nature (04 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04892-x; The ATLAS Collaboration, «A detailed map of Higgs boson interactions by the ATLAS experiment ten years after the discovery,» Nature (04 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04893-w. La revista Nature acompaña estos artículos con un resumen divulgativo (Perspective) de Gavin P. Salam, Lian-Tao Wang, Giulia Zanderighi, «The Higgs boson turns ten,» Nature (04 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04899-4. También he citado a Javier Aparisi, Juan Fuster, …, Ryo Yonamine, «mb at mH: The Running Bottom Quark Mass and the Higgs Boson,» Physical Review Letters 128: 122001 (21 Mar 2022), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.122001, arXiv:2110.10202 [hep-ph] (19 Oct 2021).

El artículo de CMS (ATLAS) presenta un análisis de la producción y desintegración del bosón de Higgs con 138 fb⁻¹ (139 fb⁻¹) de colisiones protón-protón a 13 TeV c.m. en el LHC Run 2 entre 2016 y 2018 (recuerda que 1 fb⁻¹, un inverso de femtobarn, son unos cien billones de colisiones en el LHC); por cierto, los 2 fb⁻¹ recabados por CMS en 2015 no se han usado en su análisis. Por comparar, el objetivo del LHC es alcanzar 300 fb⁻¹ de colisiones a 13 TeV c.m. y el futuro HL-LHC pretende acumular unos 3000 fb⁻¹  = 3 ab⁻¹ de colisiones protón-protón a 14 TeV c.m.

Dada la masa del bosón de Higgs, que el modelo estándar no predice, se obtiene un valor único para todos los parámetros asociados a la producción, desintegración y autointeracción del bosón de Higgs (resumidos en la figura de abajo). La física de precisión del Higgs requiere estimar todos estos parámetros y confirmar que coinciden con la predicción teórica; cualquier desviación significativa sería una señal de física más allá del modelo estándar. CMS estima una masa del Higgs mH = 125.38 ± 0.14 GeV, que implica una sección eficaz de producción de un Higgs σH = 54 ± 2.6 pb (picobarns), o sea, que el LHC produce un bosón de Higgs cada segundo a una luminosidad instantánea de 2 × 1034 cm⁻² s⁻¹ (por supuesto, solo unos pocos son detectados).

El 87 % de los Higgs es producido por fusión de gluones (ggF), que siendo partículas sin masa no están acopladas al Higgs, vía un bucle de tres quarks de tercera generación (gg → qqq → H, con q=t,b); el 7 % por la fusión de bosones vectoriales (VBF), la que colisión dos bosones vectoriales (qq → qqVV → qqH, con V=Z,W); el 4 % por el llamado Higgsstrahlung, la emisión de un Higgs por un bosón vectorial (qq → V → VH, con V=Z,W); el 1 % por la producción de un Higgs asociada con un quark de tercera generación (gg → qqqq → qqH, con q=t,b); y así sucesivamente. Esta figura, en su parte de arriba a la izquierda, muestra los diagramas de Feynman de estos procesos.

Cada bosón de Higgs producido se desintegra muy rápido, su vida media es τH≈ 1.6 × 10⁻²² s = 0.16 zeptosegundos, es decir, la anchura de la resonancia del Higgs es de ΓH = ℏ/τH = 4.14 ± 0.02 MeV. El bosón de Higgs se desintegra (véase la figura, parte de arriba a la derecha) un 25 % de las veces en una pareja de bosones vectoriales (H → VV, con V=W un 22 % y V=Z un 3 % de las veces), un 67 % de las veces en una pareja fermión-antifermión (H → ff, con f=b un 58 %, f=τ un 6 %, f=c un 3 %, y f=μ un 0.02 % de las veces), un 0.2 % en dos fotones vía un lazo de Wilczek de partículas masivas (H → ppp → γγ, con p = t,W,b) y otro 0.2 % en un fotón y un bosón Z por el mismo medio ( (H → ppp → γZ, con p = t,W,b).

Finalmente, lo más interesante es la interacción entre bosones de Higgs, cuyo fondo es la producción de más de un bosón (véase la figura, la parte de abajo). Un bosón de Higgs se puede desintegrar en dos bosones de Higgs (H → HH), lo que nos ayudará a verificar si el potencial del modelo de Brout–Englert–Higgs es correcto. Se puede observar tanto en la fusión de gluones (gg → qqq → H → HH, con q=t,b), como en la fusión de bosones vectoriales (qq → qqVV → qqH → qqHH, con V=Z,W); también es interesante la fusión de dos bosones vectoriales dando lugar a dos Higgs (VV → HH en el proceso qq → qqVV → qqHH, con V=Z,W). El fondo para estos sucesos es la producción de más de un bosón de Higgs, tanto en una fusión de gluones (gg → qqqq → HH, con q=t,b), como en la fusión de bosones vectoriales (qq → qqVVV → qqHH, con V=Z,W). La producción de dos Higgs en el LHC es unos tres órdenes de magnitud menos probable que la producción de un solo Higgs, en concreto, σHH = 32.76+1.95−6.8 fb (nota que son fb en lugar de pb).

El bosón de Higgs fue anunciado en 2012 gracias a su desintegración en dos fotones (H → ppp →  γγ, con p=t,W), CMS alcanzó 4.1 σ (sigmas), y en cuatro leptones cargados (H → ZZ → ℓℓℓℓ, con ℓ=μ,e), CMS alcanzó 3.2 σ, que combinadas lograron 5.0 σ en CMS. Usando todas las colisiones del LHC Run 1 se lograron 6.5 σ para H → ZZ → ℓℓℓℓ, y 5.6 σ para H → γγ, y además, se observó su desintegración en dos leptones cargados y dos neutrinos (H → WW → ℓνℓν) a unas 4.7 σ y en dos leptones cargados de tercera generación (H → ττ) a 3.8 σ. Usando las colisiones del LHC Run 2 se han alcanzado 5.9 σ para H → ττ, 5.6 σ para H → bb, y 5.2 σ para la producción ttH. Para la desintegración en dos leptones cargados de segunda generación (H → μμ) solo se ha logrado 3.0 σ. CMS estima la masa del Higgs en 125.38 ± 0.14 GeV/c² usando los canales H → γγ, y H→ZZ→ℓℓℓℓ.

El modelo estándar ajusta muy bien las observaciones actuales del bosón de Higgs. El parámetro que describe dicho buen acuerdo es el cociente μ = ℬEXP/ℬSM entre la probabilidad de un modo producción o de un canal de desintegración observada en los experimentos y la predicha por el modelo estándar. Esta figura presenta los límites actuales para dicho parámetro en diferentes modos de producción (izquierda) y modos de desintegración (derecha). Todos ellos se pueden combinar en un único parámetro que resulta ser un espectacular μ = 1.002 ± 0.057 para CMS. Claramente no hay ninguna duda de que la física de un único bosón de Higgs está muy bien descrita por el modelo estándar.

Sin lugar a dudas el LHC Run 2 nos ha permitido avanzar mucho sobre la física del Higgs respecto al LHC Run 1, pero aún quedan muchas cosas por hacer. No solo será necesario el LHC Run 3, que se acaba de iniciar, sino también el futuro HL-LHC y sobre todo una imprescindible máquina de Higgs, un colisionador leptónico específico para estudiar el bosón de Higgs. Quienes opinan que la física de partículas debería finalizar con el LHC niegan la naturaleza humana, la aventura por el saber y todo los beneficios para nuestra sociedad que nos ofrece la investigación básica en física fundamental.



7 Comentarios

  1. Un bosón de Higgs se desintegra en dos bosones de Higgs… uff, eso me ha dejado el cerebro chamuscado, todo lo relacionado con las desintegraciones, esta un poco fuera de mis conocimientos, creo que debo ponerme al tanto ya que me gusta, pero me llama la atención esto, no espero que me lo expliques, ya que como te digo, no tengo ni las bases, pero de verdad que me deja perplejo que (perdón por la brutalidad) una objeto de masa 10, se pueda dividir en dos objetos de masa 10… hay algo que no estoy entendiendo… toca estudiar.
    Gracias totales!!!!!.

  2. Marce, si un protón tiene una masa de 1 GeV, cómo es posible que la colisión de dos protones produzca un bosón de Higgs con una masa de 125 GeV. Obviamente, la clave es la energía; en el LHC cada protón tiene una energía cinética de 6500 GeV con lo que en el centro de masas colisionan frontalmente 13000 GeV, más que de sobra para producir un Higgs y hasta más de uno.

    Lo mismo pasa con un bosón de Higgs de masa m y energía E ≫ 2 m, que se puede desintegrar en dos Higgs sin ningún problema (salvo que es un proceso muy improbable y requiere mucha luminosidad, es decir, muchas colisiones). Su sección eficaz de 32 fb implica que en 138 fb es un proceso que da pocas veces, y como no siempre es detectado, siendo dicho número insuficiente para observar dicho fenómeno. Se necesitan más colisiones (más luminosidad integrada).

  3. Cuando dices «algo aún no confirmado en los experimentos, aunque hace muchas décadas que se confirmó que decrece con la energía» tiene al experimento HERA en mente o algún otro experimento/cosa?
    La producción de pares de bosones ha sido detectada a 5 sigma?
    Y cuando dices «Y aún quedará lo más relevante, estudiar la interacción entre tres bosones de Higgs, que determina el potencial del campo de Higgs; la prueba de fuego que decidirá si es correcto el modelo de Brout–Englert–Higgs» porque dice es la prueba de fuego, digo suena algo difícil de detectar pero no logro ver porque es tan importante.

    1. Dabed: (1) Sí, me refiere al experimento HERA (LCMF 23 may 2011; LCMF, 29 dic 2012).

      (2) No, el número de colisiones obtenidas por el LHC es insuficiente para que sea sensible a la observación de la producción de di-Higgs; se requieren tres veces más colisiones, luego habrá que esperar al final del LHC Run 3; para alcanzar cinco sigmas se requieren unas treinta veces más colisiones, luego habrá que esperar al final del HL-LHC.

      (3) La teoría de electrodébil tiene como piedra angular el mecanismo de Brout-Englert-Higgs, que se basa en un potencial cuártico para el campo de Higgs. La observación del bosón de Higgs solo permite asegurar que el potencial tiene un mínimo a energía v = 246 GeV; pero garantizar que dicho potencial es cuártico requiere estudiar la producción de tri-Higgs y verificar que corresponde a la predicción teórica. Si el potencial no fuera cuártico, la teoría de Brout-Englert-Higgs sería aproximada (fenomenológica en lugar de fundamental); saberlo requerirá el HL-LHC (aunque lo ideal sería una futura fábrica de Higgs).

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