La búsqueda del bosón de Higgs en el LHC del CERN no es fácil porque se desintegra de muchas maneras en las que se puede confundir con las desintegraciones de otras partículas. Este diagrama en forma de tarta muestra los ocho canales de desintegración más probables para un bosón de Higgs del modelo estándar con una masa de 125 GeV. Solo podemos esperar una señal fuerte del Higgs en dos de estos canales: la desintegración en dos fotones, que ocurre el 0,2% de las veces, y la desintegración en dos bosones Z que a su vez se desintegren en cuatro leptones cargados (muones o electrones), que ocurre el 0,01% de las veces. Los demás canales y su porcentaje específico son importantes para confirmar que la partícula observada es el bosón de Higgs del modelo estándar, pero no hay estadística suficiente para esperar una señal en los datos que se presentarán mañana porque la relación señal/ruido para estos canales es pésima. Por ello, si mañana se anuncia el descubrimiento de una partícula con una masa de 125 GeV, no se podrá asegurar que se trata del bosón de Higgs del modelo estándar. Será como si vemos la foto de la cola de un caballo. No podemos saber si se trata de un poney, un percherón o un pura sangre. Hay que ver algo más para saberlo. El diagrama está extraído de Sean Carroll, “Hunting for Higgses,” Cosmic Variance, July 2nd, 2012.
Más en detalle, el diagrama nos muestra que el 57% de las veces, un Higgs se desintegra en un par de quarks bottom y anti-bottom (canal bb), el 3% de las veces en un par de quarks charm y anti-charm (canal cc), y el 9% en dos gluones (canal gg). Estos tres modos de desintegración, casi el 70% de las veces, son imposibles de observar en las colisiones acumuladas hasta hoy en el LHC porque su relación señal/ruido es muy mala (los quarks y gluones se hadronizan formando chorros que se confunden fácilmente con los chorros del ruido de fondo en las colisiones). Si el Higgs tuviera una masa cercana superior a 350 GeV (dos veces la masa del quark top), lo más probable es que se desintegrara en un par de quarks top y anti-top, pero para un Higgs con una masa menor que la de este quark este canal tiene un probabilidad muy baja, aunque al ser el quark con más masa es con el que está más acoplado (de hecho, el acoplamiento es igual a la unidad con un error de 1%). El canal bb podrá ser observado en el LHC dentro de unos años, en especial en el experimento LHCb. En el Tevatrón del Fermilab este canal es mucho más fácil de estudiar para la incertidumbre experimental es alta y su sensibilidad a la masa del Higgs es baja, teniendo un error de unos 15 GeV para un Higgs de 125 GeV.
El diagrama de tarta también muestra que el 21% de las veces, un Higgs se desintegra en un par de bosones vectoriales WW, el 3% en un par de bosones ZZ y el 6% de en un par de leptones tau. Estos canales, aunque son claves para saber si se trata del Higgs del modelo estándar o uno de sus primos, también presentan una relación señal/ruido mala (aunque no tan mala como los anteriores), porque estas partículas de alta masa la mayoría de las veces se desintegran en quarks y gluones que también forman chorros hadrónicos y se confunden con el ruido de fondo. ¿Por qué son canales clave entonces? Porque no siempre se desintegran de esta forma y a veces lo hacen en leptones cargados y los detectores del LHC están optimizados para observar muones y electrones con gran sensibilidad, sobre todo muones. Por ello, estos modos de desintegración que acaban en leptones cargados, aunque muy poco probables, son fundamentales para la búsqueda del Higgs cuando estos bosones vectoriales se desintegran a su vez en leptones.
El mejor canal entre los anteriores es el ZZ cuando conduce a cuatro leptones (0,01% de las desintegraciones de un Higgs con 125 GeV de masa), ya que el WW va acompañado de neutrinos (leptones neutros) cuya presencia es más difícil de asegurar con precisión. Ahora mismo, con los datos de colisiones de 2011 (ver la figura oficiosa de Philip Gibbs en viXra que combina colisiones del LHC y del Tevatrón) la señal en el canal WW presenta un defecto mayor de lo esperado (en esta figura no oficial el error (línea vertical azul) en el canal WW no cruza la línea verde (que corresponde al Higgs del modelo estándar). Seguramente se trata de un defecto debido al poco número de colisiones estudiados y a la dificultad de analizar este canal (la presencia de neutrinos complica mucho la labor de análisis de la colisión).
Finalmente, los dos canales estrella son muy poco probables, alrededor del 0,2 % de las veces, pero son mucho más fáciles de observar que todos los anteriores y son los que presentan una señal más clara de un Higgs. Por un lado, la desintegración en dos fotones (el canal clave para la charla de mañana miércoles y el responsable de todos los rumores, tanto en diciembre de 2011 como ahora mismo) y por otro la desintegración en un Z y un fotón, que mañana no nos ofrecerá ninguna información importante, pero que será fundamental en los anuncios sobre el Higgs para diciembre de este año y el próximo año.
El canal difotónico presenta un ligero exceso respecto a las expectativas para el bosón de Higgs del modelo estándar (como muestra la figura oficiosa de viXra) que ha sido interpretado por muchos como una indicación de que el Higgs que se está observando no es el predicho por el modelo estándar mínimo. Sin embargo, teniendo en cuenta que el exceso es pequeño, puede que sea debido a una fluctuación estadística en contra. Habrá que estar atentos mañana a si este exceso se confirma (como muchos rumores apuntan) o por el contrario disminuye (como algunos esperamos).
En resumen, esta figura de Sean Carroll muestra los tres canales (modos de desintegración) del Higgs que prometen ofrecer información mañana sobre si el Higgs existe o no existe, y sobre la partícula que parece que se ha descubierto se parece al Higgs del modelo estándar o no se parece. Recuerda, solo 2 de cada mil bosones de Higgs se desintegra en alguno de estos canales y aunque estos canales muestran señales muy claras en los detectores de ATLAS y CMS también hay ruido de fondo que puede dificultar los análisis. La búsqueda del bosón de Higgs no es fácil, pero es apasionante.
Mañana, a partir de las 08:30 hora de Madrid comentaré en directo vía chat en Amazings el anuncio del CERN junto a Mario Herrero (“Mañana sigue en directo desde Amazings.es la Conferencia sobre el Higgs comentada y explicada por nuestros físicos,” Amazings.es). Si te apetece síguenos allí para conocer todos los detalles en tiempo real.
