El Higgs “fermiofóbico” y los rumores para San Fermín sobre el Higgs en el ICHEP 2012

Lo primero es lo primero, los rumores. Como ya viene siendo costumbre, Peter Woit vuelve a lanzar rumores sin fuente: se ha observado en el LHC del CERN una señal a 4 sigmas de la existencia de un bosón de Higgs con una masa de unos 125 GeV (“The Higgs Discovery,” NEW, June 17, 2012). El rumor sobre ATLAS se lanzó hace unos días, ahora también se incluye a CMS (que ha realizado un análisis “ciego”). “En el primer congreso estrella de física de partículas de este verano, el ICHEP2012 que se celebra en Melbourne, Australia, se anunciarán los nuevos resultados sobre la búsqueda del Higgs en el LHC (tanto CMS como ATLAS) el sábado 7 de julio, entre las 17:30 y 18:00 (hora de Madrid, en Melbourne será entre las 09:30 y las 10:00).”

Como también ya es habitual, Philip Gibbs se hace eco de estos rumores, para darle más coba a Woit, en “ICHEP Higgs Rumours = Discovery ?,” viXra, June 17, 2012. En el canal difotónico, el año pasado se alcanzó una significación estadística para un Higgs de unos 125 GeV de hasta 3,1 sigmas en CMS y hasta 2,9 sigmas en ATLAS (estimación oficiosa de Gibbs, más optimista que la oficial del CERN). Estas estimaciones oficiosas, al añadir más de 4 /fb de datos de colisiones en el LHC a 8 TeV c.m., se logrará una estimación oficiosa de más de 5 sigmas (un descubrimiento oficioso) para el Higgs. Hay que recordar que estas estimaciones oficiosas se basan en combinar los datos de LEP, Tevatrón, ATLAS y CMS, algo que no se realizará de forma oficial hasta 2013 y no se publicará hasta julio de 2013, como pronto. En el CERN se desea que ambos experimentos, ATLAS y CMS, descubran el Higgs de forma independiente, algo que podrán hacer sin combinar sus colisiones a finales de este año.

Por supuesto, Gibbs nos recuerda que (1) no se puede confiar en los rumores; (2) a estas fechas, CMS debería haber analizado al menos 4,5 /fb de colisiones y ATLAS al menos 3 /fb de colisiones (estos datos también son rumores), si ya se ve una señal a 4 sigmas es posible que en julio la señal todavía tenga más significación; y (3) una evidencia a 4 sigmas con solo los datos de 2012 es un poquito mejor de lo esperado (es decir, una fluctuación estadística a favor del Higgs), pero todo depende de lo bien que hayan funcionado las técnicas de mitigación del apilado (pileup) de colisiones durante los análisis (aunque para el canal difotónico este inconveniente afecta muy poco).

Lo segundo es hablar del Higgs fermiofóbico. Lo primero de lo segundo, aclarar la traducción. En español debería llamarse Higgs fermiófugo, pero la costumbre entre los físicos experimentales es traducir “fermiophobic” por “fermiofóbico.” Lo siento por los lingüistas, pero cambiar las costumbres es difícil (recuerda que el “positón” (traducción correcta de “positron” en inglés) es mal traducido “positrón” por cuestiones de costumbre) y las lenguas vivas evolucionan gracias a las costumbres.

¿Qué es un Higgs fermiofóbico? Un Higgs cuyos acoplamientos al quark top, al quark bottom y a los leptones tau (y a los demás quarks y leptones, pero son poco relevantes por su pequeña masa) son mucho más pequeños de lo que predice el modelo estándar, o están anulados por alguna razón (hay muchas propuestas teóricas). Un Higgs fermiofóbico debe ser observado gracias a los canales de desintegración WW, ZZ, γγ, y Zγ (y muchos otros pero con probabilidad despreciable).

Los datos de colisiones de 2011 en el LHC han mostrado señales del Higgs en el canal γγ, y algo menos en los canales WW y  ZZ (en julio en el ICHEP se prevé que también en el canal Zγ). Da la casualidad que estos canales son los asociados a un Higgs fermiofóbico, lo que ha generado cierta expectación entre los físicos teóricos. Pero debemos ser fieles a la verdad, para un Higgs de 125 GeV, la señal esperada para un Higgs fermiofóbico en estos canales coincide con la esperada para un Higgs del modelo estándar en dichos canales, como muestra esta figura [fuente].

Por tanto, no podemos descartar que se haya observado un Higgs fermiofóbico, pero mientras los canales “fermiónicos” (especialmente bb y ττ) sigan dando una relación señal/ruido tan mala, la preferencia oficial debe ir hacia el Higgs del modelo estándar. Ello no quita que los físicos experimentales busquen un Higgs de este tipo y la figura de abajo muestra el resultado obtenido en CMS para el canal difotónico con 4,8 /fb de colisiones de 2011 a 7 TeV c.m. Recuerda, en esta figura solo aparece el canal γγ.

Interpretar esta figura requiere dos consideraciones. La primera, hay una señal, aunque débil, en el canal bb que ha sido observada en el Tevatrón, en contra de un Higgs fermiofóbico. La segunda, otros canales de desintegración no muestran un pico tan claro para un Higgs fermiofóbico como el canal difotónico mostrado en esta figura. La tercera, las colisiones analizadas en 2011 no son suficientes para excluir un Higgs fermiofóbico con una masa por encima de unos 130 GeV, lo que hace que el pico (línea negra) que se observa a 125 GeV se parezca más a una fluctuación estadística que a un pico bien definido. Y la cuarta, para la mayoría de los físicos experimentales, se trata de una simple casualidad, debido a que el Higgs parece que tiene la masa adecuada (125 GeV) para que ocurra esta coincidencia entre el caso fermiofóbico y el del modelo estándar.

Por supuesto, en física de partículas nunca se puede decir nunca jamás (y las sorpresas son lo realmente maravilloso de este campo del saber). Habrá que esperar a los análisis presentados en el ICHEP 2012 para confirmar o desmentir estas señales fermiofóbicas, pero mi opinión es que serán desmentidas. En concreto, “Search for a fermiophobic Higgs particle” (7 de julio) y “Fermiophobic Higgs Boson in Associated Production with a Massive Vector Boson” (6 de julio).

El sesgo sistemático en el análisis de datos de colisiones de alta energía

El análisis de los datos de las colisiones a alta energía es muy difícil y muchas veces presenta sesgos sistemáticos en los que incurren los físicos sin saberlo. Conforme pasan los años y se acumulan más colisiones, además de reducirse los intervalos de error, también se mejoran los algoritmos de análisis y se corrigen muchos de estos sesgos (repito, que al principio ni siquiera se sabía que existían y que todo el mundo pensaba que no existían). Una buena ilustración son las figuras de abajo. No importa lo que sean estas dos magnitudes asociadas a la violación de la simetría CP en la física de los quarks encanto, lo que quiero contar es otra cosa. Me interesa que mires los valores medios (el punto gordo) y los intervalos de error.

Mira la figura de la izquierda. El dato de E791 1999 es un resultado muy excepcional porque su valor medio casi coincide con el valor actual (0,866 ± 0,155), aunque su error sea enorme (0,73 ± 0,30). Muy pocas veces ocurre esto, aunque muchos físicos realizan su trabajo como si esto ocurriera siempre. El dato de FOCUS 2000 también es excepcional, pero por otra cosa, su intervalo de error no incluyen al resultado actual (0,866 no está incluido en el intervalo 3,4 ± 1,6 observado). Esto mismo ocurrió con los neutrinos superlumínicos en MINOS en 2007. Este tipo de medidas indican que hay sesgos o errores sistemáticos que no han sido tenidos en cuenta en el análisis, pero nadie lo sabe en el momento en que son publicadas. Todo el mundo confía (y sabe) que los físicos han hecho su análisis de la mejor manera posible, pero el paso del tiempo (y nuevas medidas) demuestran que no tuvieron en cuenta todos los detalles y que su análisis podría haberse realizado mejor. En el caso de MINOS 2007, la nueva reestimación de las fuentes de error ha mostrado que los intervalos de error que se publicaron estaban subestimados en casi un factor de dos. No es que la física de los neutrinos sea excepcional en este sentido (por la dificultad de detectar neutrinos), este efecto ocurre en toda la física cuando se analizan los últimos resultados experimentales con las últimas técnicas de análisis disponible. Con la figura de arriba lo he querido ilustrar con una rama de la física bien conocida, la física de las partículas que tienen quarks encanto (charm).

Otra cosa interesante que quiero destacar de la figura de arriba (izquierda) es lo que muestran los datos de CLEO 2002, Belle 2009 y LHCb 2012. Vuelve a mirar la figura. El valor más actual se encuentra cerca de uno de los extremos del intervalo de error; esto es lo habitual en física experimental, por lo que tomar el valor medio con valor fiable de la magnitud no es adecuado; siempre hay que tener en cuenta los intervalos de error y conviene considerar muy seriamente los valores extremos de dichos intervalos, en especial, los que son más compatibles con las predicciones teóricas del momento. Esto mismo ha pasado en los neutrinos superlumínicos de OPERA. El adelanto de los neutrinos no significa que sean más rápidos que la luz, ya que el valor predicho se encuentra en uno de los extremos del intervalo de error y eso es lo que uno espera que ocurra normalmente con los datos experimentales.

Por otro lado, la figura de arriba (izquierda) también muestra algo muy habitual en el análisis experimental de errores, al comparar los datos de Belle 2009 y Belle 2012. El nuevo valor medio de 2012 está fuera del intervalo de error de 2009; además, los dos intervalos de error tienen una intersección que no incluye a ninguno de los valores medios. El valor de 2012 tiene menor error que el de 2009 y podría pensarse que debe ser más próximo al valor actual, sin embargo, siempre se debe de interpretar un nuevo resultado teniendo presente todos los resultados previos. Como vemos en la figura, el mejor valor actual se encuentra en el extremo derecho del intervalo de 2009 y en el izquierdo de 2012. No siempre pasa esto, mira la figura de arriba (derecha).

Te animo a observar la parte derecha de la figura de arriba y a plantearte qué conclusiones sacar a partir de los pocos datos presentados. ¿Cómo evolucionará en el futuro? ¿Cómo usarías dicho parámetro si fueras físico teórico?

Para acabar, otra cosa que no hay que olvidar es que el mejor valor actual para un parámetro cambia con el tiempo, no siempre los intervalos de error se reducen y por tanto la interpretación del resultado con respecto a las predicciones del modelo estándar (que depende de más de 20 parámetros adicionales) ha de ser muy cuidadosa. Cualquier predicción del modelo estándar depende del software que realice la predicción (hay muchos ajustados de forma ligeramente diferente) y de los parámetros del modelo estándar que se utilicen en dicha predicción. Cualquier predicción teórica del modelo estándar cambia con el tiempo, al ritmo de los resultados experimentales.

Interpretar resultados experimentales es todo un arte. No lo olvidemos, donde algún físico teórico ve un Antoni Tàpies, quizás solo haya un Mark Rothko.

Qué tiene que decir el LHC sobre dos anomalías detectadas en el Tevatrón

Hay varias discrepancias entre las predicciones teóricas del modelo estándar y las observaciones experimentales de las colisiones protón-antiprotón con una energía en el centro de masas de 1,96 TeV en el Tevatrón del Fermilab (cerca de Chicago, EE.UU.). ¿Qué tiene que decir las colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. en el LHC del CERN (cerca de Ginebra, Suiza) al respecto? Por ahora, todas estas asimetrías han sido desmentidas. Por ejemplo, la llamada forward-backward top asymmetry, una asimetría en las colisiones que producen quarks top y anti-top mayor de la predicha por el modelo estándar; en concreto, los antiquarks top prefieren emerger en la dirección del antiprotón incidente y los quarks top en la del protón. Esta asimetría no puede ser observada de forma directa en el LHC, pero sí se puede hacer de forma indirecta. Como muestra la figura esquemática que abre esta entrada, en el LHC se produciría una asimetría de carga en las desintegraciones con quarks top.

El análisis de las colisiones del año pasado (2011) en el LHC en busca de esta asimetría utilizando el detector ATLAS ha encontrado un valor A(tt) = 0,029 ± 0,018 (stat.) ± 0,014 (syst.), es decir, 0,029 ± 0,022, compatible con la predicción del modelo estándar 0,006 ± 0,002. Estos resultados nos los ha contado Klaus Mönig, “ATLAS Status Report,” 110th LHCC Meeting, 13 June 2012 [slides, video]. La asimetría también ha sido estudiada en CMS conduciendo al valor A(c) = 0,004 ± 0,010 (stat.) ± 0,012 (syst.), es decir, el valor 0,004 ± 0,012 que hay que comparar con la predicción del modelo estándar predice 0,0115 ± 0,0006. Nos ha contado este resultado Yves Sioris, “CMS Status Report,” 110th LHCC Meeting, 13 June 2012 [slides, video]. Por tanto, tanto ATLAS como CMS descartan la observación de la asimetría (a finales de año habrá una ratificación de estos resultados con las colisiones a 8 TeV c.m. de 2012). Por cierto, los datos del Tevatrón en la figura están extraídos de “Forward-backward asymmetry in top quark-antiquark production,” Phys. Rev. D 84, 112005 (2011) [PRD, ArXiv].

Por otro lado, la señal (resonancia) alrededor de 150 GeV observada por CDF en las colisiones protón-antiprotón del Tevatrón que conducen a dos bosones W, que a su vez se observan como dos chorros de hadrones, que no fue observada por DZero (también en el Tevatrón), tampoco ha sido observada por CMS del LHC. Como también nos recuerda Yves Sioris, “CMS Status Report,” 110th LHCC Meeting, 13 June 2012 [slides, video], siendo el artículo técnico The CMS Collaboration, “Study of the dijet invariant mass distribution in W→lν plus jets events produced in pp collisions at √s = 7 TeV,” CMS PAS EWK-11-017.