El bosón de Higgs aún buscado en los datos de ALEPH en el LEP2 del CERN

La búsqueda del bosón de Higgs continúa. Si el modelo estándar es correcto, el Tevatrón o el LHC acabarán encontrando un Higgs con una masa superior a 114 GeV (límite de exclusión del LEP) en unos 3 o 4 años. ¿Podría estar oculto el bosón de Higgs en los datos almacenados en disco del detector Aleph del ya clausurado LEP2 del CERN? Sí, ya que hay varias posibles desintegraciones que no fueron estudiadas en su momento. Por ejemplo, la desintegración del Higgs en 4 leptones tau (predicha por la supersimetría). Kyle Cranmer de la Universidad de New York y sus colaboradores han buscado esta desintegración en los datos almacenados en los archivos del CERN. Obviamente, no lo han encontrado, sino ya te habrías enterado. Han anunciado los resultados de su estudio en un workshop que ha celebrado los 20 años del detector ALEPH (desmantelado hace 9 años). Sus resultados excluyen esta desintegración para un bosón de Higgs con una masa menor que 105-110 GeV (en función de la masa de una partícula intermedia llamada A). Es realmente curioso que todavía se busque al Higgs en los datos del LEP2. Más aún, hay muchas búsquedas que todavía esperan jóvenes emprendedores que tengan ganas de consumir su valioso tiempo en ellas. Más detalles divulgativos en ”Higgs chased away from another hole,” Resonaances, Saturday, 7 November 2009.  Las transparencias de la charla técnica que presenta los resultados del estudio las podéis leer en Kyle Cranmer, Itay Yavin, James Beacham, Paolo Spagnolo, “Searching Higgs decaying to 4 taus,” 20 years of ALEPH data, Nov. 3, 2009. Por cierto, os gustará leer también la charla de Gavin Davies, “Higgs @ Tevatron (?),” 20 years of ALEPH data, Nov. 3, 2009. Aprovecho la ocasión para recordar alguna información sobre el Higgs a los que aún la ignoren.

El modelo estándar de la física de partículas presenta sólo dos tipos de partículas, fermiones (materia) y bosones vectoriales (campos o mediadores de fuerzas). Muchos cursos de teoría cuántica de campos comienzan con el estudio de los bosones escalares. Son las partículas más sencillas (en matemáticas) y no hay ninguna razón física por la cual no deban existir (en teoría). Todavía no se ha observado ningún bosón escalar en ningún acelerador de partículas. ¿Existen los bosones escalares en la Naturaleza? Todo el mundo piensa que sí. El inflatón (la partícula responsable de la inflación cósmica al inicio del Big Bang) y el bosón de Higgs son los dos bosones escalares más estudiados (teóricamente, claro).

El modelo estándar asume que a alta energía el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil son fuerzas idénticas mediadas por 4 bosones vectoriales sin masa, dos neutros (tipo “fotón”) y dos cargados. Sin embargo, a baja energía observamos 1 bosón vectorial sin masa, el fotón, y 3 bosones vectoriales con masa, dos cargados, bosones W, y uno neutro, bosón Z. El modelo estándar introduce una ruptura de la simetría a energías intermedias que conduce a la aparición de la masa en dichos bosones vectoriales. La ruptura de la simetría es similar a una transición de fase, como la congelación del agua. El agua es isótropa y homogénea, una molécula de agua está rodeada de moléculas de agua en todas direcciones. Sin embargo, el hielo tiene una estructura cristalina hexagonal, cada molécula está rodeada de cuatro en los vértices de un tetraedro regular. La isotropía (simetría) del agua se rompe en el hielo que presenta una simetría más simple (hexagonal).

En teoría cuántica de campos todo son campos o partículas o campo-partículas, que es lo mismo. La ruptura de simetría en la teoría electrodébil es mediada por 4 partículas (campos), en concreto, 4 bosones escalares. A baja energía, la simetría se rompe y 3 de esos bosones escalares desaparecen dotando de masa a los bosones vectoriales W y Z. Sin embargo, el fotón no tiene masa, lo que significa que uno de los bosones escalares permanece a baja energía, es el bosón de Higgs. Esta ruptura de simetría también puede dotar de masa a los fermiones (partículas de materia), tanto leptones (neutrinos y electrones) como quarks. Los detalles teóricos (hay muchas alternativas teóricas) sólo se conocerán cuando se descubra experimentalmente el bosón de Higgs (quizás en el Tevatrón del Fermilab o quizás en el LHC del CERN), si es que se descubre (hay teorías que logran la ruptura de simetría sin ningún bosón de Higgs).

¿Por qué tanto interés en buscar el bosón de Higgs? Por un lado, es una pieza clave del modelo estándar y, por otro, los datos del detector ALEPH en el LEP2 del CERN (figura arriba izquierda) mostraban una evidencia muy fuerte de sus existencia (con una masa entre 114 y 116 GeV). Casi tocaron con la punta de la lengua el bosón de Higgs. Pero el LEP2 tuvo que dejar paso al LHC. Si el bosón de Higgs tiene una masa alrededor de 115 GeV será muy difícil detectarlo en el LHC con lo que el Tevatrón tendrá una oportunidad de oro (aunque en él tampoco es fácil detectarlo con esta masa). Se estima que el Tevatrón Run II funcionará hasta finales de 2011. No se sabe qué pasará más tarde. Los límites de exclusión del bosón de Higgs en el Tevatrón irán bajando desde los 160 GeV actuales (figura arriba derecha), poco a poco, aunque es difícil que bajen tanto como 120 GeV.

 

¿Por qué es difícil observar el bosón de Higgs en el Tevatrón? A las energías del Tevatrón, sólo 1 evento de cada billón será producido por un bosón de Higgs (ver la figura de la izquierda), una sección eficaz (cross section) de menos de 1 pb (picobarn). Aún así las sorpresas son habituales en los grandes aceleradores. La observación de un evento también muy poco probable, un quark top individual (single top en la figura), se logró en marzo de este año (2009). El bosón de Higgs está siendo buscado intensamente en el Tevatrón.

Las posibles desintegraciones del bosón de Higgs con una masa entre 50 y 1000 GeV se presentan en la figura de arriba derecha junto a su fracción de desintegración (branching ration o BR). Para una masa menor de 135 GeV lo más probable es (figura de abajo izquierda) que la colisión de dos quarks produzca un par bosón W y un Higgs (H), desintegrándose el Higgs en un par quark-antiquark de tipo bottom (bb). Para una masa mayor que 135 GeV lo más probable es (figura de abajo derecha) que la colisión de dos gluones produzca un Higgs H que se desintegre en un par WW.

Estas desintegraciones más probables según el modelo estándar y otras menos probables han sido buscadas con ahinco en el Tevatrón, pero todavía no se han logrado observar. Además, otras desintegraciones que se observarían si la supersimetría fuera correcta también han sido ampliamente estudiadas en los datos del Tevatrón. El trabajo de Cranmer y sus colegas nos muestra que también están siendo estudiadas en los datos ya almacenados del LEP2.

¡Imaginad que se descubriera un Higgs entre 80 y 90 GeV oculto en los datos del LEP2! Premio Nobel automático.

El mecanismo de Higgs no distingue entre materia y antimateria según el Tevatrón del Fermilab

El bosón de Higgs dota de la misma masa a una partícula y su antipartícula, según la teoría del Modelo Estándar. El mecanismo de ruptura de la simetría de Higgs no distingue entre materia y antimateria. Para verificarlo experimentalmente hay que medir estas masas para la partícula más masiva descubierta hasta el momento, el quark top y su antiquark. En el Tevatrón del Fermilab se ha obtenido hace poco la mejor medida de la masa en reposo del quark top. Ahora DZERO ha medido la diferencia de masa entre el quark top y el antiquark top resultando una diferencia igual a 3.8±3.7 GeV, es decir, 2.2% ± 2.2. Como resultado, experimentalmente ambas masas parecen exactamente iguales. Nos lo cuentan en Research Highlights, “Particle physics: Top quarks measure up,” Nature 461: 572, 1 October 2009, haciéndose eco del artículo técnico de V. M. Abazov et al. (DZERO Collaboration), “Direct Measurement of the Mass Difference between Top and Antitop Quarks,” Phys. Rev. Lett. 103: 132001, 21 September 2009.

El bosón de Higgs tiene una masa de 120,7 GeV según predice el físico teórico John Ellis

Los aficionados a Punset y Redes conocen bien a John Ellis, experto del CERN en supersimetría (SUSY), que está escribiendo una serie de artículos muy interesantes en los que utiliza los mejores datos experimentales disponibles para predecir teóricamente lo que el LHC descubrirá en los próximos años utilizando diversas teorías. Su último artículo realiza una predicción espectacular: el bosón de Higgs supersimétrico de menor masa tiene unos 120,7 GeV/c², justo un poquito más del mejor límite inferior de su masa 114,4 GeV/c² según el LEP2. De confirmarse esta predicción teórica, el LHC del CERN encontraría esta partícula con relativa facilidad en un par de años. Nos lo cuenta magistralmente Tommaso Dorigo, tras su retorno de vacaciones, en “The Higgs Mass ? 120 GeV, SUSY Says,” A Quantum Diaries Survivor, August 24th 2009. El artículo técnico es O. Buchmueller et al. ”Likelihood Functions for Supersymmetric Observables in Frequentist Analyses of the CMSSM and NUHM1,” ArXiv, July 31st, 2009, y tiene entre sus autores, además de John Ellis, a otro de los grandes expertos en SUSY, Sven Heinemeyer, y a expertos experimentales como Albert De Roeck y Henning Flächer. Un elenco de autores que garantiza que este artículo no es “moco de pavo.” Más aún, el artículo está muy bien escrito y se lee bastante fácil, con lo que si eres físico (aunque no seas teórico) disfrutarás mucho con su lectura. Para los demás, trataré de no ser muy técnico en esta entrada.

La supersimetría y el Modelo Estándar se pueden “pegar” de muchas formas. La más sencilla es el Modelo Minimal SuperSimétrico (MSSM). Es tan sencilla que tiene un grave problema. Predice que el bosón de Higgs de menor masa (predice 5) debe tener una masa similar a los bosones vectoriales intermedios W y Z de la teoría electrodébil (unos 80 GeV). La Naturaleza es sutíl. Dicho bosón de Higgs no ha sido encontrado. Los límites experimentales indican que el bosón de Higgs, de existir, tiene una masa superior a 114,4 GeV. El “pegado” de dos teorías puede ser “natural” o “forzado.” Si forzamos la máquina matemática de la supersimetría podemos hacer crecer la masa del bosón de Higgs más ligero de la teoría MSSM. ¿Hasta qué límite? Quizás, sin límite. Las retorcidas mentes de los teóricos son así.

Según John Ellis y sus colaboradores, una variante de la supersimetría mínima, llamada CMSSM (C por constrained), predice un valor justo por debajo del límite experimental (un límite extremadamente fiable). La figura que abre esta entrada, izquierda, ilustra el resultado. Casi con completa seguridad esta variante no es el modelo supersimétrico correcto de la Naturaleza.

Pero los físicos teóricos tienen muchas bazas escondidas debajo de su manga. Hay variantes “menos” naturales del modelo MSSM que predicen masas más altas para el bosón de Higgs más ligero. John Ellis y colaboradores consideran el modelo NUHM1 (Non-Universal Higgs Mass). Utilizando dicha variante se obtiene el lado derecho de la figura que abre esta entrada. El valor más probable para la masa del bosón de Higgs más ligero, como indica el título de esta entrada, es de 120,7 GeV. Un valor que abre las expectativas de todos los físicos experimentales, tanto del Tevatrón, que lo están rozando con los dedos, como del futuro LHC del CERN, que podrá detectarlo en sus primeros años de funcionamiento.

El artículo de John Ellis y colaboradores también ofrece estimaciones de la masa de otras partículas supersimétricas, entre ellas, el neutralino más ligero, el mejor candidato para la materia oscura según muchos investigadores. El mejor valor ajustado para su masa es de 120 GeV en ambos modelos teóricos (CMSSM y NUHM1) dado que sus diferencias básicamente afectan al sector del Higgs. Un neutralino con una masa fácilmente alcanzable por el LHC incluso en sus primeros meses de funcionamiento. Una gran alegría para los físicos experimentales. Detectar la supersimetría en los primeros meses de funcionamiento del LHC del CERN, incluso con una energía en el centro de masas relativamente baja, será sin duda uno de los grandes éxitos de la física de partícula elementales del próximo año.

Tanto optimismo teórico nos hace preguntarnos: ¿Estarán sesgados los datos del artículo para darle una alegría a los físicos del CERN? Aparentemente, no, aunque no soy experto, el trabajo parece ser muy riguroso. Eso sí, considerar sólo dos variantes de la supersimetría (entre la “infinidad” que han sido publicadas), supone un sesgo teórico más que evidente.

¿Qué se puede sacar en claro de este estudio y otros similares (como éste de unos días antes)? Por un lado, que los teóricos supersimétricos son optimistas por naturaleza. Por otro lado, que los teóricos pueden “estirar” sus predicciones supersimétricas para alcanzar casi cualquier valor posible para la masa de las superpartículas y del Higgs. Descubra lo que descubra el LHC del CERN, SUSY nos acompañará durante todo el s. XXI. Eso sí, conforme pasa el tiempo “ligar” el modelo estándar con la SUSY es cada día más difícil.

El bosón de Higgs y el destino final del Modelo Estándar de la física de partículas

Masa del bosón de Higgs en función del ajuste al Modelo Estándar de los parámetros experimentales más precisos del LEP y el Tevatrón, incluyendo (izquierda) y excluyendo (derecha) las búsquedas directas del bosón de Higgs.

Cuenta Caín que mató a Abel por accidente. Cantan que el vídeo mató a la estrella de la radio. Tommaso Dorigo nos cuenta que el Modelo Estándar podría morir en manos de su más amado hijo, el bosón de Higgs, haciéndose eco de un artículo técnico de John Ellis et al. (al que recordaréis en su despacho en el CERN rodeado de papeles junto a Eduard Punset en Redes) que trata de “leer el futuro” del Modelo Estándar en las manos de los posibles modelos teóricos para el bosón de Higgs. El asunto es muy discutible. ¿Mató la teoría de la relatividad a la mecánica de Newton? ¿Mató la mecánica cuántica a la mecánica clásica? Pocos creen que el Modelo Estándar en su versión actual se mantenga válido hasta escalas de energía tan altas como las de Planck. La naturaleza nos ofrece sorpresas, nos ha ofrecido sorpresas en el pasado (como la masa no nula de los neutrinos) y nos seguirá ofreciendo sorpresas en el futuro (¿existirá un bosón de Higgs con una masa alcanzable para los ojos del LHC del CERN?).

Sólo la naturaleza tiene la respuesta. Todos podemos jugar a ser Rappel, nos llamemos John Ellis, Tommaso Dorigo o la Mula Francis, … En cualquier caso os recomiendo encarecidamente la lectura de la entrada de Tommaso “Will the Standard Model Die by The Hands of its Dearest Child?,” A Quantum Diaries Survivor, July 23rd 2009.  Si eres físico, también disfrutarás del artículo de J. Ellis, J.R. Espinosa, G.F. Giudice, A. Hoecker, A. Riotto, “The Probable Fate of the Standard Model,” ArXiv, Last revised 22 Jul 2009. También es interesante leer “Who fears a non-perturbative Higgs field?,” The Gauge Connection, July 28th, 2009, y su secuela “The right mathematical question,” August 1st, 2009, todos sobre el mismo tema.

Ellis et al. han considerado cinco posibles escenarios para el futuro del Modelo Estándar en función del comportamiento del potencial del campo del bosón de Higgs. A baja energía, las partículas que observamos corresponden al resultado de un proceso de ruptura de la simetría, similar a la congelación del agua, que rompe la isotropía (simetría O(3)) alrededor de una molécula de agua generando una simetría tetraédrica en la red cristalina del hielo. Los bosones vectoriales W y Z tienen masa gracias a una ruptura de simetría similar mediada (creemos) por el bosón de Higgs. El resultado es que el vacío a baja energía en el Modelo Estándar no corresponde con el vacío a alta energía (más allá de la escala de energías de la ruptura de la simetría electrodébil, que depende de la masa del bosón de Higgs, en la que los “equivalentes” a los bosones W y Z no tienen masa, como el fotón). La escala de energía para esta ruptura de la simetría podría llegar hasta la escala de energías de Planck (2 x 10¹⁸ GeV). Si el bosón de Higgs existe, esta escala de energía es como una barrera de potencial para el “vacío” del Modelo Estándar (que no está vacío sino que contiene las partículas que observamos a baja energía). Este “vacío” podría ser (absolutamente) estable o metaestable, tener cierto grado de estabilidad (no puede ser inestable porque sabemos que a baja energía es la descripción correcta de la realidad). La metaestabilidad del “vacío” implicaría la existencia de otro “vacío” a mayor energía y que se pueda producir un salto de un vacío a otro por efecto túnel, algo que puede verse como una partícula cuántica encerrada en una barrera de potencial, que puede sobrevivir siempre en ella o tener cierta vida media en su interior, en cuyo caso tras cierto tiempo acabará saltando a través de la barrera por efecto túnel.

Los cinco posibles escenarios estudiados por Ellis et al. dependen de la estabilidad de este “vacío” del Modelo Estándar ante un posible efecto túnel más allá de la escala de la ruptura electrodébil. La figura de abajo resume los resultados obtenidos por estos físicos teóricos. El primer escenario, curva roja y sombreado en rosa, corresponde a que la vida media del “vacío” sea mayor que la edad actual del universo (collapse region). El segundo escenario, curva azul y sombreado a circulitos celestes, corresponde a que la vida media sea razonablemente alta y estable ante perturbaciones (térmicas) de energía arbitraria (Zero-T metastability). El tercer escenario, curva verde oscuro y sombreado a rayas verdes, corresponde a que la vida media sea alta pero estable sólo a perturbaciones térmicas con una energía menor que la escala de Planck (Finite-T metastability). El cuarto escenario, curva verde sombreada del mismo color, corresponde a que el vacío electrodébil del Modelo Estándar sea estable a todas las energías desde el punto de vista de la teoría de perturbaciones (Stability). El quinto escenario, curva negra y sombreado gris, corresponde a un vacío estable desde el punto de vista no perturbativo (Non-perturbativity). Por cierto, este último escenario es el menos entendido del modelo estándar. Finalmente, la curva azul de trazo grueso presenta el valor calculado a partir de los datos experimentales más recientes para la probabilidad de que un bosón de Higgs tenga la masa  indicada.

¿Cómo se interpreta esta compleja figura? Por un lado, la curva azul gruesa indica que hasta 3 desviaciones típicas, el bosón de Higgs tiene una masa en alguno de los intervalos [114,153] GeV o [180,224] GeV. El Modelo Estándar puede seguir siendo válido hasta una energía a la escala de Planck si el bosón de Higgs tiene una masa en el intervalo [114,124] GeV o por encima de 172 GeV (zonas sombreadas con rosa, azul claro y gris). La curva azul gruesa favorece el primer caso, con lo que se puede afirmar con un intervalo de confianza de un 99.1% que el Modelo Estándar pervivirá hasta la escala de Planck. Ellis et al. además afirman que si el bosón de Higgs no es encontrado en el primer año de búsqueda en el LHC (experimento ATLAS y a energía máxima, 14 TeV) automáticamente se puede excluir un bosón de Higgs con una masa inferior a 127 GeV con una confianza del 95%.

¿Qué pasa si se descubre un bosón de Higgs de masa cercana al límite del LEP? Según Ellis et al., si se descubre un bosón de Higgs en el LHC o el Tevatrón con una masa de 120 (115) GeV, el potencial efectivo del Modelo Estándar desarrollará un nuevo “vacío” a una energía menor de 10^10.4 (10^8.0) GeV (muy por debajo de la escala de Planck), con lo que el Modelo Estándar tendrá que ser significativamente alterado a dichas energías.

En resumen, un análisis teórico de los datos experimentales más recientes que no permite afirmar si el Modelo Estándar sobrevivirá hasta la escala de Planck o no, pero, como afirma Tommaso, nos da una bocanada de aire fresco y nos recuerda que quizás el descubrimiento del bosón de Higgs además de ratificar el Modelo Estándar, nos dejará claro que es una teoría aproximada (como todo el mundo cree) que habrá de ser substituida por una teoría más fundamental.

Lo barato acaba saliendo caro y el LHC del CERN

El coste del LHC del CERN ya alcanza la cifra de 3.900 millones de euros (hace un año y medio se hablaba de solo 3.000 millones, ver LHC FAQ). Aún así es mucho más barato que cualquier otra instalación similar gracias a aprovechar el túnel del LEP y parte de su infraestructura. Su entrada en funcionamiento se está retrasando porque se están encontrando problemas inesperados, que indican que su fabricación no ha sido realizada con el cuidado necesario (quizás por las prisas, quizás por el bajo coste). Más aún, entrará en funcionamiento con una energía muy inferior a la inicialmente esperada. Por ejemplo, esta semana se están revisando las soldaduras entre uniones de cobre en la parte no superconductora de los 10.000 imanes superconductores del LHC. Se ha encontrado una soldadura incorrectamente realizada. ¡Una soldadura! Sí, pero suficiente para tener que revisar las demás. Estas soldaduras defectuosas impedirán que el LHC alcance su energía máxima ya que no podrán soportar la corriente máxima que habría que aplicar a los imanes superconductores. Parece increíble, pero así es. No sé, pero a mí me parece que lo barato acaba saliendo caro. Nos lo cuenta, como no, Adrian Cho, “More Bad Connections May Limit LHC Energy or Delay Restart,” News of the Week, Science 325: 522-523, 31 July 2009.

Esta semana los técnicos del CERN están chequeando las 10.000 soldaduras con objeto de evaluar la corriente máxima que podrán soportar de forma fiable, así como determinar la energía máxima de los haces de protones que se podrá alcanzar en el primer año de funcionamiento de la instalación. En el mejor caso, las demás soldaduras estarán perfectas (a mí me parece que algo poco probable) y este chequeo solo supondrá un retraso más para el reinicio del LHC (que se esperaba para noviembre).

Un retraso más. Otro retraso más y otro más aún. Esto parece la historia interminable. Hemos de recordar que en el año 2000 se suponía que el LHC entraría en funcionamiento en el año 2005. Espero equivocarme, pero ahora parece que no lo hará hasta inicios de 2010.

Un recorte en energía más. Y ahora otro más. El LHC del CERN se diseñó para alcanzar 14 TeV de energía máxima (dos haces de protones cada uno con 7 TeV), lo que significa que se observarán colisiones entre 1 y 2 TeV de energía máxima (ya que colisionan entre sí los partones (quarks y gluones) que constituyen los protones). Hace unos meses se decidió reducir esta energía a un máximo de 10 TeV. Los nuevos problemas parecen limitarla a unos 8 TeV o menos. El LHC tiende a convertirse en un Tevatrón “mejorado” (alcanza una energía de 2 TeV).

Quizás convenga reforzar el punto anterior. En el LHC colisionarán haces de protones. Cada protón es un “saco” de partículas, 3 quarks de valencia y millones de gluones y de pares de quarks virtuales. En una colisión protón-protón en realidad se produce una colisión gluón-gluón (las mejores para observar el bosón de Higgs), quark-quark y hasta quark-antiquark (ver figura de arriba). En un protón con una energiá de 7 TeV es muy difícil que alguno de sus millones de constituyentes alcance un 1 TeV, además que lo haga otro de los constituyentes del otro protón que acabe colisionando con éste, y que además ambos constituyentes (partones) colisionen. Recuerda que un protón tiene un “tamaño” de unos 10^-15 m. y un partón sólo alcanza unos 10^-18 m., es decir, ocupa un volumen mil millones de veces inferior. El resultado es que es muy poco probable alcanzar colisiones de más de 2 TeV (prácticamente imposible). Con un LHC a energía reducida que alcance, digamos 7 TeV en el punto de colisión (haces de protones de 4,5 TeV), difícilmente se observarán colisiones partón-partón de más de 1 TeV (similares a las más energéticas que se observan actualmente en el Tevatrón). ¿Tanto para tan poco?

¿Retraso o recorte? Esta es la cuestión. Muchos quieren que el LHC se ponga en funcionamiento cuanto antes. ¿Para qué? Para descubrir nuevos fallos y poder resolverlos cuanto antes, así como calibrar todos los detectores y aprender más sobre el funcionamiento de esta máquina. Al mismo tiempo, nadie quiere un LHC funcionando durante un año a solo 4 TeV, incluso 8 TeV están en el límite de lo no deseable (le daría una oportunidad única al Tevatrón para acumular luminosidad y ganar la partida, por ejemplo, en la búsqueda del Higgs).

No sé que opinarás tú, pero a mí me parece que lo barato acaba saliendo caro.

PS (04 agosto 2009): La noticia en Menéame gracias a “El LHC podría arrancar a media potencia o retrasarse aún más,” Ciencia Explicada, 4 de agosto de 2009.

El bosón de Higgs podría ser la primera partícula supersimetría en ser descubierta

La masa en reposo del bosón de Higgs del Modelo Estándar (SM) viene unívocamente definida en función de las masas del bosón vectorial W y del quark top (cima). En el Modelo Mínimo SuperSimétrico (MSSM) hay 5 bosones de Higgs, uno de los cuales corresponde al del Modelo Estándar. La figura de arriba muestra la acotación teórica más reciente de su masa obtenida por Sven Heinemeyer (especialista en MSSM) y publicada por Tommaso Dorigo. Como vemos se encuentra con un 68% C.L. en la región verde o supersimétrica. ¿Significa esto que el bosón de Higgs es supersimétrico? No es tan fácil. Para Lubos Motl está más claro que el agua, es 13 veces más probable que sea supersimétrico que que no lo sea. Tommaso no lo ve tan claro.

La masa en reposo de los quarks no es un concepto bien definido en cromodinámica cuántica ya que no es posible aislarlos y verlos “desnudos,” siempre están hadronizados. El quark top es el más pesado y en el que la incertidumbre (relativa) en su masa es la más pequeña posible. Aún así, teóricamente no puede ser inferior a unos 200 MeV, un valor pequeño comparado con sus 170 GeV. Por otro lado, la estimación teórica de su masa a partir de datos experimentales en los colisionadores de partículas requiere tener en cuenta el hecho de que la cromodinámica cuántica tiene una energía de corte, no es válida a partir de una cierta energía, lo que nos lleva a diferentes definiciones teóricas de su masa y por tanto, diferentes acotaciones de su masa a partir de los datos experimentales en función del modelo, más allá del Modelo Estándar, utilizado.

La nueva estimación teórica incluye los efectos introducidos por la Supersimetría, en su expresión más sencilla (modelo MSSM). El resultado es lo que muestra la fuera de arriba. Con un 68% de límite de confianza el bosón de Higgs es una partícula supersimetría. Por supuesto, esta evidencia es baja, hay una probabilidad estadística del 32% de que no sea así. Si se confirma experimentalmente este resultado en el LHC el año que viene, mataremos dos pájaros de un tiro: el LHC descubrirá el Higgs y la supersimetría simultáneamente.

Para los interesados en detalles técnicos sobre qué es la masa del quark cima. Más información teórica en Martin C. Smith, Scott S. Willenbrock, “Top-quark pole mass,” Phys.Rev.Lett. 79: 3825-3828, 1997 (ArXiv preprint). Más información experimental en U. Langenfeld, S. Moch, P. Uwer, “Measuring the running top-quark mass,” ArXiv, Submitted on 29 Jun 2009. Por cierto, el artículo de Sven todavía no ha aparecido en ArXiv. Habrá que estar al tanto.

El Higgs podría descubrirse gracias al roce de dos protones que no lleguen a chocar

Las partículas elementales no están desnudas. Según la mecánica cuántica, están rodeadas de nubes de partículas virtuales. Existir existen pero no pueden ser detectadas individualmente. ¿Qué pasa si dos nubes de partículas virtuales se rozan sin chocar? Se pueden producir otras partículas igual que cuando chocan dos partículas, pero su choque será mucho más limpio. Un bosón de Higgs de poca masa será muy difícil de detectar en el LHC del CERN. Las colisiones entre protones generan tal explosión de partículas que encontrarlo será como encontrar una aguja en un pajar. Sin embargo, si se rozan las dos nubes de partículas virtuales de cada protón, podrían generarse bosones de Higgs muy limpiamente (unos cientos al año en el LHC). Así lo han propuesto físicos del Fermilab que han logrado generar mesones charmonium (formados por pares de quarks encantado y antiencantado) gracias a dichos roces. El artículo técnico es (otro paper más de Aaltonen) T. Aaltonen et al. (CDF Collaboration), “Observation of Exclusive Charmonium Production and γγ → μ+μ- in pp Collisions at √s = 1.96 TeV,” Phys. Rev. Lett. 102: 242001, 19 June 2009 (ArXiv preprint). Muchos se han hecho eco de este artículo, como “A Higgs Boson without the Mess,” Physical Review Focus, 24 June 2009, traducido al español por César en “Un bosón de Higgs, pero sin el barullo,” Experientia docet, 25 junio de 2009. Os extraigo el primer párrafo [c&p] para que os animéis a leerlo.

“Los físicos de partículas del Large Hadron Collider (LHC) del CERN esperan descubrir el bosón de Higgs entre el barullo de partículas que se generen en las colisiones protón-protón. Los resultados que se publican en el número del 19 de junio de Physical Review Letters muestran que hay una forma de eliminar parte de ese barullo. Un experimento en el colisionador protón-antiprotón Fermilab (Illinois, EE.UU.) ha identificado un proceso poco frecuente que produce materia a partir del intenso campo de la fuerza nuclear fuerte pero que deja intactos al protón y al antiprotón. Existe una posibilidad de que la misma interacción básica les permita a los físicos del LHC tener una visión más clara del Higgs.”

Gran descubrimiento en el Fermilab: Un pequeño paso para el Modelo Estándar, un gran paso hacia el bosón de Higgs

Por primera vez se han observado desintegraciones hadrónicas en pares de bosones vectoriales WW/WZ/ZZ. Unas 1500 desintegraciones en el CDFII. De ellas 5 podrían ser del bosón de Higgs. Cuando se observen 45000 unas 40 podrían ser Higgs. Los americanos se podrían adelantar a los europeos. Esta señal es muy importante como prerrequisito en la búsqueda en el Tevatrón de un bosón de Higgs de baja masa (unas 130 veces la masa del protón), muy difícil de detectar porque casi siempre se desintegra en quarks b sobre un fondo de millones de millones de quarks b. Rara vez se desintegra en un par de bosones vectoriales. Nadie los había observado pero todo el mundo sabía que existían. El nuevo descubrimiento del Tevatrón insufla las posibilidades de que los americanos den la sorpresa y se lleven el Premio Nobel por el descubrimiento del bosón de Higgs. Nos lo cuenta magistralmente, como siempre, Tommaso Dorigo, “Hadronic Dibosons Seen. Next Stop: the Higgs!,” Scientificblogging.com, May 29th 2009 , y Tommaso Dorigo, “Another First Observation for CDF!,” Scientificblogging.com, May 29th 2009 . El artículo técnico es CDF Collaboration: T. Aaltonen, et al. “First Observation of Vector Boson Pairs in a Hadronic Final State at the Tevatron Collider,” ArXiv, Submitted on 28 May 2009 .

Había evidencia sobre las desintegraciones en dibosones, pero esta es la primera observación definitiva del fenómeno. El artículo, enviado para publicación a PRL, presenta la observación de 1516 +/-239(stat) +/-144(syst) dibosones (en un análisis burdo, este resultado difiere de cero por 1516/sqrt(239^2+144^4)= 5.4 desviaciones estándares, un cálculo más exacto nos da 5.3 desviaciones típicas). Lo más importante es que el resultado (para la sección eficaz del proceso) confirma con precisión el Modelo Estándar. El descubrimiento es importante como un primer paso para encontrar el Higgs por este hecho. Entre 1516 desintegraciones sólo unas pocas serían debidas al Higgs, pero cuando se tengan decenas de miles de desintegraciones, el efecto del Higgs será observable como una pequeña “joroba” en los datos observados respecto a los datos teóricos del Modelo Estándar. Dicha “joroba” será claramente detectada (si existe el Higgs y tiene una masa inferior a 135 GeV, claro está) cuando se tengan unas 45000 mil desintegraciones dibosónicas. La “joroba” corresponderá a unas 40 desintegraciones dibosónicas por encima del valor esperado por el Modelo Estándar. Esto será una señal suficiente para proclamar el descubrimiento del bosón de Higgs en el Tevatrón del Fermilab. Esto puede ser pronto, dentro de un año o así.

¡Esto se pone caliente! Más aún por el hecho de que el LHC del CERN si no es ciego sí es tuerto en la zona de masas del Higgs inferiores a 135 GeV. En su caso, al LHC le costará muchos años detectar el Higgs, pero el Tevatrón lo está rozando con la punta de los dedos. ¡Emocionante!

PARA SABER MÁS: El Meneo y subsiguiente portada de esta noticia me ha hecho ver que la mayoría de los que han meneado la noticia lo han hecho en honor a mezvan sin entender nada de la entradilla (el primer párrafo de esta entrada). Voy a tratar de aclarar algunas ideas. Por supuesto esto requiere un esfuerzo: cierto interés por la física de partículas elementales.

Los bosones W y Z fueron descubiertos experimentalmente en el CERN en 1983 (Premio Nobel para Carlo Rubbia). Originalmente los bosones W fueron predichos por Enrico Fermi en 1933 para explicar la desintegración (radioactividad tipo) beta. La radioactividad beta es el proceso por el cuál un neutrón aislado (fuera de un núcleo) se desintegra en pocos minutos en un protón, un electrón y un antineutrino. Hoy en día sabemos que uno de los quarks d (down o abajo) del neutrón (3 quarks, udd) se transforma en un quark u (up o arriba) transformando el neutrón en protón, emitiendo en el proceso un bosón W (de carga negativa) que se descompone rápidamente en un electrón y un antineutrino. La siguiente figura muestra el proceso (sacada de La Aventura de las Partículas, que ahora mismo recomiendo al que no se haya enterada de nada de lo que he dicho y quiera enterarse del resto).

Hoy en día contamos con una teoría llamada electrodébil que explica el electromagnetismo (cuyos responsables son los fotones) y la fuerza nuclear débil (cuyos responsables son los bosones W y Z) de una forma unificada. Los bosones W y Z parecen idénticos al fotón salvo por pequeños detalles, tienen una masa en reposo muy grande (unas 160.000 veces la masa de un electrón, pero la masa del fotón parece exactamente nula) y los W tienen carga (el fotón y el Z son neutros). ¿Cómo es posible que haya partículas tan parecidas por un lado y tan diferentes por otro? Hoy en día lo entendemos bastante bien. A muy alta energía, el fotón y los bosones W y Z son partículas idénticas, todas sin masa y sin carga (como el agua de un vaso a temperatura ambiente). Conforme la energía baja se produce una transición de fase (como la congelación del agua en hielo) y una ruptura de la simetría (el agua parece igual por todos lados, sin embargo, el hielo es una cristal con estructura tetraédrica, la isotropía se ha roto) a una energía determinada (igual que el hielo congela a una temperatura determinada, 0º C). La ruptura de la simetría se entiende hoy en día como que 3 de los 4 bosones idénticos a alta energía se tragan 3 bosones escalares de Higgs convirtiéndose en los bosones W+, W- y Z. El cuarto bosón no se traga ningún Higgs y se queda como está. Por eso vemos a baja energía a los fotones y por eso creemos que algún día también se verá en los aceleradores de partículas al bosón de Higgs (los que han quedado sin que nadie se los trague). Entiendan los expertos que trato de hablar en el lenguaje más simple posible.

Los bosones W y Z tienen una masa de 80.4 GeV/c^2 y 91.2 GeV/c^2, respectivamente (unas 86 y 97 veces la masa de un protón o núcleo del átomo de hidrógeno). Por comparación, estos bosones son más masivos que los núcleos de un átomo de hierro. Por más comparación, la partícula más masiva conocida es el quark t (top) que tiene una masa de 172.8 GeV/c^2 y el quark b (bottom) solo tiene unos 4.5 GeV/c^2. En física de partículas elementales la masa en reposo de un partícula no es un valor único y bien definido. La masa en reposo depende de la energía y presenta una curva en forma de pico (llamada técnicamente resonancia) con una pequeña anchura. ¿Qué significa esto? Significa que los valores que he dado para las masas son los valores más probables (donde se encuentra el pico de la resonancia) para la masa que cada partícula presenta cuando la observemos puede tener un valor un poco más pequeño o un poco más grande. Bueno, también puede tener una masa mucho más pequeña o mucho más grande pero es muy poco probable encontrar una partícula con dichas masas. Técnicamente la descripción de la depedencia con la energía de la masa en reposo sigue una función de Breit-Wigner (distribución de probabilidad de Cauchy-Lorentz para los matemáticos).

Imagina que el bosón de Higgs es una partícula inestable (con una corta vida) que se desintegra en otras partículas. Supongamos que tiene una masa menor de 135 GeV/c^2. No puede desintegrarse en una pareja de quarks t pero sí en una pareja de quarks b (la manera más probable en la que puede desintegrarse). Sin embargo, a las energías que se estudian en el Tevatrón, donde colisionan un protón y un antiprotón, o las energías que se estudiarán en el LHC, donde se colisionarán dos protones entre sí, el número de quarks b que se observan en una colisión es enorme (miles de millones). Encontrar la señal de una desintegración de un Higgs en un par de quarks b es muy difícil (como encontrar una aguja en un pajar de miles de millones de pajas).

El bosón de Higgs también se puede desintegrar de otras maneras, por ejemplo, en un par de bosones WW o ZZ. La suma de sus masas es mayor que la del Higgs que estamos considerando (80+80 > 135) por lo que este suceso es muy raro. Extremadamente raro. Pero su probabilidad no es cero y se puede medir. Según el Modelo Estándar, aproximadadamente, una de cada 300 desintegraciones de este tipo debería ser debida a un bosón de Higgs. Para encontrar el Higgs es necesario encontrar muchas desintegraciones de tipo dibosón (WW, WZ o ZZ). Hasta el momento se habían encontrado muy pocas. El nuevo análisis de los resultados del detector CDF ha encontrado un fondo de unas 1500 desintegraciones de este tipo. Es algo raro y en lo raro es más fácil encontrar lo muy raro.

Entendemos tan bien la física del Modelo Estándar que ha resultado que la observación de estas desintegraciones dibosónicas en el CDF se ajusta perfectamente a la teoría (sin tener en cuenta el bosón de Higgs). Esto es muy importante. Porque conociendo bien la teoría podremos estudiar si hay pequeñas desviaciones respecto a la teoría y en dichas pequeñas desviaciones se encontrará trazas de la existencia del bosón de Higgs. En 1516 desintegraciones sólo 4 o 5 podrían ser debidas al Higgs son muy pocas para poder separarlas del resto. Pero con el nuevo tipo de análisis de los datos del CDF-II se podrán estudiar decenas de miles de desintegraciones (se espera tener unas 45000 en un año) y en ellas el número de desintegraciones anómalas (un exceso no esperado según el Modelo Estándar sin bosón de Higgs) constituirían una señal inequívoca de que el bosón de Higgs existe (se observará un pico alrededor de cierta energía que corresponderá a la masa en reposo del Higgs).

En conclusión, el nuevo resultado es importante por dos cosas. La primera porque confirma el Modelo Estándar y la segunda porque abre un nuevo camino para encontrar el bosón de Higgs en el Tevatrón del Fermilab. Un camino que puede requerir un año (poco más). Un camino que observará al bosón de Higgs si existe y tiene una masa inferior a unos 135 veces la masa del protón. Si el bosón de Higgs tiene una masa superior, será muy fácil verlo en el LHC del CERN.

No sé si esto aclara algo… hay muchas entradas sobre el bosón de Higgs en este blog. Te animo a buscarlas.

Buscando el bosón de Higgs como a una aguja en un pajar

Tommaso Dorigo se nos muda. Tras 40 meses en WordPress.com en “A Quantum Diaries Survivor” se muda a Scientific Blogging. Su primera entrada en el nuevo blog ”A Fascinating New Higgs Boson Search By The DZERO Experiment,” merece una entrada. Sus lectores le seguiremos. Como él mismo afirma “if you love me, please follow me there now.” 

Los físicos del detector DZERO del Tevatrón en el Fermilab buscan el bosón de Higgs en colisiones de protones contra antiprotones que producen un par de quarks top-antitop y un bosón de Higgs, desintegrándose este último en un par de quarks bottom-antibottom. Se han encontrado 5 eventos candidatos. Son pocos y su interpretración no es fácil. El artículo técnico que nos comenta Tommaso es “Search for the Standard Model Higgs boson in the ttH->ttbb channel,” The DZERO Collaboration, Preprint, March 14, 2009 .

La Física de Partículas Elementales es la física de la “aguja en el pajar” (cuando no sabes si la aguja realmente está en el pajar o si hay más de una). Lo ideal, caracterizar cada una de las “pajitas” del pajar. El problema, es imposible. Hay que estimar la distribución promedio de las “pajitas” y usarla para encontrar la aguja. Los físicos de partículas le llaman al “pajar” con el nombre background, el fondo de partículas que creemos conocer, y a la “aguja” como señal, de la existencia de una nueva partícula. La labor de los físicos de partículas consiste en proponer un proceso y utilizarlo para descartar muchas “pajitas,” quedándose sólo con las candidatas a “aguja.”

Los protones y antiprotones que colisionan en el Tevatrón alcanzan una velocidad superior el 99.9% de la velocidad de la luz. La mayoría de las colisiones son elásticas. Prácticamente no pasa nada. Sólo excepcionalmente los quarks o gluones del protón colisionan con quarks o gluones del antiprotón y se produce una colisión inelástica que conduce a la generación de varios chorros de partículas. La energía en el centro de masa durante las colisiones protón-antiprotón es de hasta 1.96 TeV, pero eso no significa que la suma de las energías de los chorros de partículas alcancen estos valores. La colisión más energética reportada por los experimentos CDF y DZERO ha alcanzado sólo 1 TeV. La mayoría de las colisiones observadas tienen una energía muy inferior.

Un quark top tiene una masa de 173 GeV y si el bosón de Higgs tuviera una masa de 120 GeV, una colisión que produjera un par de quarks top-antitop y un Higgs requeriría unos 470 GeV. ¿Cuántas colisiones inelásticas protón-antiprotón a 1.76 TeV alcanzan al menos esta masa? Aproximadamente, sólo una de cada millón de colisiones. Además, no todas las colisiones de más de 470 GeV producen un quark top (t), un antitop (t) y un Higgs (H). Según los modelos teóricos una desintegración ttH ocurre una vez cada 10 billones de colisiones (billón=millón de millones). Desde 2002 en el CDF y en el DZERO se han producido unos 400 billones de colisiones. Podrían haberse producido unos 40 procesos ttH.

Obviamente, los físicos no estudian estos 400 billones de colisiones uno a uno. Se utilizan técnicas de filtrado automático que seleccionan entre todas las colisiones las que son prometedoras. Solamente hay que estudiar en detalle unos cientos de colisiones. En el caso de la desintegración ttH hay que buscar una entre unas 626 colisiones candidatas. No es tanto. En palabras de Tommaso “That is not a needle in the haystack anymore! Kudos to DZERO for their clever selection then!” (recuerda, “kudos” significa “felicidades”).

Los puntos negros de la figura de abajo muestran los 5 eventos encontrados de desintegraciones ttbb (posiblemente resultado de desintegraciones previas ttH). La curva roja es la esperada teóricamente según el Modelo Estándar. La curva negra continua es la distribución esperada si este tipo de procesos fueran 100 veces más frecuentes de lo que el Modelo Estándar prevee. Como vemos los puntos negros parecen seguir la curva negra. ¿Por qué? No se sabe todavía. El acomplamiento entre el bosón de Higgs y el quark top parece ser diferente a lo que se esperaría según el Modelo Estándar, sería “anómalo.” El bosón de Higgs en la “punta de los dedos” de los investigadores. Pero todavía no pueden sonar las campanas de victoria. Como nos recuerda Tommaso “Higgs bosons have been hypothesized more than forty years ago, and we still have to see one of them…”

Tests de alta precisión de la teoría electrodébil en el LHC del CERN

Malas noticias para los físicos teóricos con ganas de nuevos descubrimientos. El LHC del CERN no volverá a ponerse en funcionamiento hasta 2010, como pronto. Así nos lo cuenta Jason Mick, “LHC Mess Continues With Restart Date Pushed Even Further Back,” Dec. 1, 2008 (leído en Menéame). Un fallo en una sola soldadura provocó que explotara un transformador y se quemara el circuito electrónico asociado. Inicialmente se pensó que con 21 millones de dólares y un par de meses todo estaría arreglado. El director del CERN Robert Aymar retrasó la nueva puesta en marcha para abril de 2009 (en invierno debe estar parado) y más tarde para junio de 2009. Pero James Gillies, jefe de prensa del CERN, confesó el viernes pasado que se retrasará hasta finales del verano de 2009 (el llamado “Plan A”). En realidad, es muy posible que hasta principios de 2010 no se vuelva a poner en funcionamiento el LHC (es el “Plan B”).El diseño del LHC debe garantizar que se alcancen 7 TeV (teraelectrón-voltion) en cada haz de hadrones, pero seguramente cuando se vuelva a poner en marcha sólo se alcanzarán unos 5 TeV, y quizás incluso menos, afirma Mr. Gillies, “las 5 secciones que no han sufrido daños podrían alcanzar los 5 TeV, pero el resto de la máquina sólo podrá soportar 4 TeV.” Este será el límite máximo que se espera poder lograr el próximo año (“Plan A”).

Malas noticias. ¿Qué significa un LHC a plena funcionamiento (7 TeV por haz) para los datos de precisión de la teoría electrodébil? El artículo de N. Besson, “Electroweak Physics Measurements at the LHC,” ArXiv preprint, 2 Dec. 2008 , nos cuenta lo que hoy se conoce sobre la masa de algunas partículas y cómo el LHC nos permitirá mejorar dicho valor. El LHC producirá unos 800 mil pares de quark top-antitop y unos 20 millones de bosones W en cada colisión con lo que podremos mejorar significativamente los valores de las masas del quark top y del bosón W, ¿cuánto exactamente? Las simulaciones de Montecarlo de los detectores ATLAS y CMS del LHC nos lo aclaran (valor y error actual => nuevo error esperado):

Masa del quark top = 172.6 ± 1.4 GeV    =>  error reducido a ± 1 GeV.

Masa del bosón W = 80.398 ± 0.025 GeV   =>  error reducido a ± 0.005 GeV. 

 

Masa del bosón de Higgs = 87+36-27 GeV    =>  error a reducido a ± 15 GeV.

No parece mucha mejora. Pero es lo que hay. La mayor esperanza con el LHC es que encuentre nuevas partículas (bosón de Higgs, partículas supersimétricas, etc.).

La susy te da sorpresas, sorpresas te da la susy, ay Dios…

Me gusta ojear Nature todos los miércoles porque a veces me sorprende destacando artículos a los que no les he prestado atención en Science o Physical Review Letters. Podría (o mejor debería) haberlo hecho, pero no lo hice. A veces un título no te llama la atención. A veces estás cansado y lees sin leer. Supongo que le pasará a mucha más gente.

Hoy me ha sorprendido “Big little things,” Research Highlights, Nature, 456: 4 , 6 November 2008 . ¿Por qué el quark top (cima) tiene una masa 40 veces superior al siguiente, el quark bottom (fondo)? El problema de la jerarquía de masas. Por cierto, el quark bottom es unas 40 veces más pesado que el quark strange (extraño), que es unas 80 veces más pesado que el quark charm (encanto), etc. aunque estas últimas estimaciones son “malas” debido a que calcular la masa de un quark (una partícula que no puede ser observada de forma aislada) es muy difícil (requiere la teoría no el experimento).

La supersimetría, simetría que relaciona bosones con fermiones, ofrece la hipótesis de que todas las partículas que conocemos tienen una supercompañera. Los quarks, como fermiones, tendrán un compañero tipo bosón (squark). Normalmente, se supone que los squarks tienen espín 0, son bosones escalares. ¿Realmente es necesario? La verdad es que no. ¿Qué pasaría si en su lugar tuvieran un espín igual a 1 como el fotón o los gluones? Haiying Cai, Hsin-Chia Cheng, John Terning, de la Universidad de California, Davis, “A Spin-1 Top Quark Superpartner,” Physical Review Letters, 101, 171805, 2008 , consideran esa posibilidad para el quark top. ¿Qué pasaría? Dicho squark top produciría una interacción entre el bosón de Higgs y el quark top que conduciría a que éste tuviera una masa en reposo mucho más grande que el quark bottom. Un problema explicado. Su masa depende de la masa del Higgs. Para un Higgs de unos 120 GeV tendría una masa de unos 1.6 TeV (fácilmente alcanzable en el LHC). Otra tarea pendiente para los físicos del CERN.

Como siempre que los teóricos le dan a la olla, dicho squark top sería fácilmente detectable en el LHC del CERN. Por supuesto, si no es detectado, la teoría no es que sea “mala”, bastará ajustar los parámetros para que sea necesario el próximo acelerador para detectar a dicha partícula. Por supuesto, si es detectado, le caerá un Nobel de Física a estos investigadores californianos. ¿Habrán votado a Obama?

En mi “modesta” opinión, el uso del grupo SU(5) en la teoría de estos californianos es muy forzado. Además, ¿será aplicable dicha teoría a todos los quarks?

Por cierto, a entonar se ha dicho:

Por la esquina del viejo barrio lo vi pasar
con el tumbao’ que tienen los guapos al caminar,
las manos siempre en los bolsillos de su gabán
pa’ que no sepan en cuál de ellas lleva el puñal.

Garrett Lisi y su nueva teoría algebraica sobre todo (o a la Lisimanía le falta la geometría y la física cuántica)

Me encanta perder el tiempo leyendo artículos de física teórica que no entiendo. Nuestro amigo y asiduo lector Kondor, me preguntaba por la nueva teoría del físico A. Garrett Lisi, “An Exceptionally Simple Theory of Everything,” ArXiv preprint, 6 Nov 2007 . Dicho artículo me pasó desapercibido en su momento, me pego un tirón de orejas, aunque tiene un título de puro marketing (no así a mucha otra gente, incluso en español). La Lisi-manía está de moda (en los dos sentidos, los fans de Lisi y los que le tienen manía). Lisi es el “nuevo Einstein” del s. XXI: “guaperas”, con una guapa novia, surfista, con un despacho móvil en su caravana y trabajando “a lo grande” desde un enfoque “abandonado” (GUT + supergravedad + teoría gravitodébil). ¡Qué monstruo! Muchas madres querrían que su hijo fuera de mayor como Lisi: científico, famoso, surfista y protagonista de programas de T.V. de prensa rosa. Lo sé, lo sé, es… ¡envidia! ¡Que le tengo envidia! Que a mí me da “miedo” eso de practicar el surf (lo mío eran las aguas bravas).

Esta nueva teoría algebraica de Lisi está muy bien comentada, en inglés, por Sabine de BackReaction “A Theoretically Simple Exception of Everything.” Yo no puedo hacerlo mejor. Si sabes inglés, te lo recomiendo. La objeción más fuerte que he encontrado al trabajo de Lisi, obviamente sólo una idea a la que quedan muchos años para madurar, nos la ofrece John Baez: no unifica bien fermiones y bosones (el comentario de Baez requiere un buen conocimiento de teoría de grupos de Lie para entenderlo). La crítica de Lubos Molt en “the reference frame” es dura, divertida, y muestra un poco de “envidia”, pero da también en el grano.

Seré breve. El Modelo Estándar de la Física de Partículas Elementales y la Teoría General de la Relatividad para la Gravitación son teorías matemáticas complicadas que se pueden entender desde múltiples puntos de vista. Un punto de vista “maravilloso” es el punto de visto del Álgebra (teoría de grupos de Lie, álgebras de Lie y sus representaciones). A los matemáticos que trabajan en Álgebra Abstracta les encanta. Una explicación muy buena del Modelo Estándar en este sentido la tienes en M. Robinson, K. Bland, G. Cleaver, J. Dittmann, “A Simple Introduction to Particle Physics,” ArXiv preprint, 18 Oct 2008 (se lee fácil y si quieres ir al grano puedes ir directamente a la página 127).

Subgrupos de E8 o sus múltiples "caras".

Básicamente, las 24 partículas elementales conocidas (12 fermiones = 2×3 quarks, 3 electrones y 3 neutrinos, y 12 bosones = 1 fotón, 3 bosones vectoriales y 8 gluones) y al menos un bosón de Higgs, por descubrir, están caracterizadas por magnitudes que se conservan (números cuánticos) que indican cuándo dos de ellas pueden interactuar entre sí. No hay un todos con todos. Estas leyes de conservación se escriben como el resultado de una simetría en la descripción matemática de dichas partículas. Estas simetrías “internas” se escriben como grupos de Lie. Los fermiones se modelan con un grupo producto SU(3)xSU(2)xU(1), más o menos (obvio detalles técnicos como la quiralidad). Los bosones surgen de forma automática (son predicciones) si dicha simetría es local (relativista). Los fermiones, a alta energía, no tienen masa. Adquieren masa a baja energía gracias a un mecanismo de ruptura (espontánea) de la simetría (se supone que como “prueba” de este proceso se observará el bosón de Higgs). La teoría de la gravedad se basa en un grupo SO(3,1), que se diferencia de los demás en que no es compacto, lo que técnicamente dificulta las cosas y se supone, no tenemos teoría cuántica de la gravedad, que el gravitón, aún por descubrir, será una partícula predicha a partir de dicha seimetría. La no compacidad del grupo SO(3,1) genera enormes problemas técnicos desde el punto de vista del álgebra a la hora de entender todo (en física teórica) como el grupo producto SO(3,1)xSU(3)xSU(2)xU(1) (por eso nadie lo escribe de esta forma).

Hemos hablado del álgebra. Pero también hay geometría y eso es harina de otro cantar. Y también hay dinámica cuántica y relativista, teoría especial para el SU(3)xSU(2)xU(1) y teoría general para SO(3,1). Es decir, también hay física. No todo es matemáticas. ¡Qué bonito si todo fuera matemáticas!

Volvamos al álgebra. La unificación de SU(3)xSU(2)xU(1) es un “pegote mal hecho”. Es bastante “fea” (cuando se miran los detalles no parece “natural”, parece un “truco” para que salga lo que tiene que salir). Así que desde los 1970s se han propuesto muchos grupos (normalmente, compactos) que unifican este producto con un solo grupo. Las llamadas Teorías de Gran Unificación (GUT) como las basadas en SU(5), SU(6), SO(10), E6, E8, etc. Nota que E8 contiene a E6 que contiene a SO(10) que contiene a SU(5). Que yo sepa, la GUT más prometedora es la basada en SO(10), es sencilla y resuelve un problema que tiene SU(5), además “gusta” porque lleva fácil a E8 (que se popularizó como E8xE8 en teoría de cuerdas heteróticas en los 1980s). Esta “gran” unificación GUT es sólo para los fermiones y conduce a la aparición de nuevos bosones (aún no descubiertos). La versión espinorial de SO(10) tiene dimensión 16, por lo que puede describir hasta 16 fermiones. Conduce a cosas tan curiosas como que el protón se desintegra (aún no demostrado), que existen muchos monopolos magnéticos (aún por descubrir), que existen nuevos bosones portadores de fuerza (aún por descubrir), que hay varios bosones escalares de Higgs (aún por descubrir), etc. Hoy en día, SO(10) es solamente una idea “bonita” ya que los físicos teóricos prefieren a otras “misses”.

Diagrama de raíces de E8.

La belleza de las matemáticas, tan aclamada por Paul A. Dirac y sus seguidores, nos lleva a preguntarnos ¿cuál de estos grupos para GUT es el más bello? Todos estos grupos son bonitos, pues son muy simétricos. Pero la belleza siempre conlleva misterio. A muchos matemáticos les parece que el más grande de todos E8, el menos comprendido de todos, el más misterioso, es el más bonito. Bueno, sobre gustos no hay nada escrito.

¿Pero qué pasa con la gravedad? Su grupo, el de Poincaré, SO(1,3) es un poco “jodido” y es difícil de pegar con los demás. Hay un teorema (Coleman-Mandula) que afirma que no se puede “pegar” SO(3,1) con cualquier otro grupo y obtener una “buena” teoría cuántica de campos. Por ello, no se habla de teorías GUT que incluyan la gravedad. ¿Lisi? ¿Dónde está Lisi? Lisi propone una teoría GUT basada en E8 que incluye como subgrupo a SO(4,1) pero no a SO(3,1) y le da un “retrueque” al teorema de Coleman-Mandula. ¡Bien hecho! Pero entonces Lisi no recupera la gravedad de Einstein. Bueno, más o menos, SO(4,1) es el grupo de simetría del espaciotiempo tipo de Sitter (lo que no está nada mal) y viéndolo “bien” nos ofrece algo parecido a lo que nos ofrece SO(3,1). “Se acepta pulpo como animal de compañía.”

Estamos hablando de Álgebra, sólo de álgebra. No lo olvidemos (una teoría cuántica de campos que modele la realidad requiere más cosas). Volvamos a E8. Pero E8 es demasiado grande. Como variedad real tiene dimensión 496 y como variedad compleja “sólo” dimensión 248. Su representación adjunta tiene dimensión  248, y aunque depende de cómo lo hagamos, E8 puede albergar hasta 248 partículas. Pero no conocemos tantas partículas elementales. El truco es “conocido” y sencillo. Lo que técnicamente se llaman las raíces del grupo las podemos “agrupar” haciendo que varias representen la misma partícula. Como E8 tiene muchos subgrupos, podemos mirar E8 desde el punto de vista de uno de esos subgrupos, y agrupar para que parezca que hay menos de las que en realidad hay. Eso son los bonitos diagramas (grafos con colorines) que se ven en los dos videos que acompañan a esta entrada. Podemos ”rotar” el grafo del diagrama de raíces de E8 y observar otros grafos más sencillos, con menos “raíces” (son grupitos de raíces). Haciéndolo correctamente (Lisi parte E8 básicamente en F4 y G2, ver figura más arriba, los “rota” y los “superpone”) podemos explicar las 24 partículas elementales conocidas (fermiones y bosones), así como el Higgs y el gravitón. Lo que pasa es que los números no cuadran perfectamente y hay más grupitos de raíces que partículas. Pero esto no es un problema, todo lo contrario, es una predicción. La teoría de Lisi predice 22 nuevos bosones (18 de los cuales son coloreados, como los gluones). Esto es álgebra, no hay física. Lisi cree que el LHC, faltaría más, encontrará pruebas de algunas de estas partículas.

Este descripción algebraica de todo (TOE) es maravillosa, ¿cuál es el problema? En las teorías GUT normalmente se modelan con álgebra los fermiones, pero no los bosones. Para modelar ambos es necesario una simetría que los conecte, la supersimetría. Pero la teoría E8 de Lisi ¿es supersimétrica? No, no lo es (todavía). Entonces cómo lo hace. ¡A huevo! ¿Y por qué no? ¡Con dos cojones! ¡Es sólo álgebra! La objeción de John Baez a la teoría de Lisi, que muchos otros han repetido, va en esta línea. No sabemos seguir trabajando por este camino. Hasta ahora nadie sabe cómo usar un grupo que vea por igual fermiones y bosones (por la cara digo que esto es un bosón y aquello un fermión) para construir un teoría cuántica de campos consistente. ¿Sabrá hacerlo Lisi? Lo dudo. ¿Sabrá hacerlo alguien? Ahora muchos genios estarán dándole vuelta a la cabeza (aprovechando que la teoría de cuerdas está de capa caída y que el LHC no empezará a dar resultados hasta dentro de unos 8 meses, con suerte). Quizás algún nuevo Einstein sea capaz de descubrir cómo hacerlo, pero ahora mismo, nadie lo sabe (que yo sepa).

La teoría de Lisi es una GUT “extraña”. ¿Qué pasa con la gravedad en la teoría de Lisi? ¿Se puede construir una teoría cuántica de la gravedad para la parte de E8 que Lisi asocia al gravitón? Lisi propone el uso de una técnica desarrollada por MacDowell-Mansouri para construir una teoría tipo GUT para la gravedad, que orginalmente se propuso para la supergravedad, que requiere supersimetría. No soy capaz de entender los detalles técnicos del trabajo de MacDowell-Mansouri, que investigadores como Smolin han utilizado en Gravedad Cuántica de Bucles (loop quantum theory). Es como un “truco” para obtener la teoría de la gravedad de Einstein con constante cosmológica a partir de un grupo SO(4,1) en lugar del habitual SO(3,1). Por supuesto, el “truco” tiene una fuerte base matemática (geométrica). En lugar de usar una conexión de Levi-Civita (geometría riemanniana), utiliza una conexión de Cartan (geometría “cartaniana”). El trabajo de Derek K. Wise, “MacDowell-Mansouri gravity and Cartan geometry,” ArXiv preprint, 30 Nov 2006, parece interesante, pero no he tenido tiempo de leerlo. 

El genial Lee Smolin, cada vez que alguien usa la teoría de MacDowell-Mansouri, que a él le encanta, está al loro y realiza algún progreso en dicha línea. Su artículo “The Plebanski action extended to a unification of gravity and Yang-Mills theory,” ArXiv preprint, 6 Dec 2007 , trata sobre la teoría de Lisi y nos aclara algunas ideas (Lisi siempre presume de que Smolin es su “amigo”). Smolin critica que la acción (física) propuesta por Lisi no es localmente invariante ante el grupo E8, sale ante un subgrupo; además, su incorporación de los fermiones en pie de igualdad con los bosones, tipo BRST (algo técnico) es muy discutible. Smolin considera que la “unificación” ideas de gravedad cuántica de bucles y las ideas algebraicas sobre E8 de Lisi podría dotar a estas ideas de una teoría cuántica consistente (algo que por ahora parece bastante difícil). Smolin “pisa el freno de la moto” pero no se baja de ella. Por si acaso.

Ha nacido la Lisimanía. ¡Cómo están las fans!

En resumen, no me he enterado de nada tras leer el artículo de Lisi. Tendré que esperar a que se publiquen artículos que la expliquen mejor. Me parece que la teoría está en “pañales.” Lo que no es poco. Parece que al genial Lee Smolin le ha llamado la atención el trabajo (¿una garantía?). Pero si queréis mi opinión, creo que las ideas de Lisi están muy alejadas de las ideas que todo el mundo espera que tenga una teoría de todo. Todos esperamos que explique el espaciotiempo y sus propiedades (teoría pregeométrica), todos esperamos que explique cuánticamente la gravedad, que resuelva el problema del observador en mecánica cuántica a escala cosmológica, etc. Todos esperamos mucho de una teoría sobre todo (TOE). Me da la sensación que las ideas de Lisi son darle vueltas a la misma tortilla y que no van al grano. Necesitamos nuevas ideas conceptuales, no más garabatos en hojas de papel (y en animaciones en colorines por ordenador).

Kondor, gracias, he disfrutado. Tu recomendación ha sido estupenda. A los demás que sepan inglés, el video que nos ha recomendado Kondor te resultará muy interesante y ameno (aunque está pronunciado por un americano, es un inglés que se entiende fácil). Lo tiene todo, es divertido, gráficamente atractivo y no aburre. Eso sí, ante la pregunta de Ted, al final, ni el tal Ted se explica bien, ni el tal Lisi sabe contestarle. Quiere contestar para que todo el mundo lo entienda, pero acaba repitiendo como un loro lo ya dicho y parece que no llega más allá (casi parece que no sabe de qué habla o qué le han preguntado). Si yo hubiera sido Lisi, hubiera contestado de otra forma. Pero así es el directo (“live is live”).

PS: UnNews, fuente de dos de las imágenes y muy divertido.

2008 Nobel Prize in Physics: El Nobel en Física ¿a quién concedérselo que no sea Peter Higgs?

Este año ha sido el año de la finalización del LHC del CERN, el año del inicio de la búsqueda del bosón de Higgs y los premios Nobel (léase “nobél”) de Física no podían estar fuera de esta tormenta mediática. ¿A quién premiar? Obviamente a investigadores relacionados con la ruptura espontánea de la simetría (el bosón de Higgs es resultado de este proceso) y con la generación de masas a las partículas elementales como los quarks (“algún” bosón de Higgs se cree que es responsable de este proceso). ¿Se le puede premiar a Higgs, a Goldstone, o a Englert y Brout? No, porque todavía no se ha descubierto el bosón (tienen que esperar a que el LHC o el Tevatrón lo descubra). ¿A quién premiar entonces? ¿A los que aplicaron la ruptura de simetría por primera vez en el Modelo Estándar? No, ya recibieron el premio Nobel de 1979 Weinberg, Salam y Glashow por sus contribuciones a la fuerza débil. ¿A los que demostraron la renormalizabilidad de esta teoría? No, ya recibieron el premio Nobel de 1999 ‘t Hooft y Veltman. ¿A quienes completaron el modelo estándar con la teoría de los quarks? No, ya recibieron el premio Nobel de 2004 Gross, Politzer y Wilczek. ¿Entonces a quién le podemos dar el premio Nobel? 

Supongamos que se le quiere dar el Nobel a físicos que hayan trabajado en el desarrollo teórico y/o experimental del Modelo Estándar de partículas elementales, en este el año del LHC. ¿A quién premiar este año? La primera decisión es elegir a físicos experimentales o a físicos teóricos. En el primer caso habría que pensar en el descubrimiento del quark top (cima) en el Fermilab (aunque quizás el premio llegaría un poco tarde). El segundo caso es más difícil porque hay muchos científicos a los que se les puede conceder el premio Nobel de física por sus contribuciones teóricas al Modelo Estándar. Haciendo cuentas, tenía que caer un premio a físicos que hayan desarrollado avances importantes en la teoría de los quarks (la cromodinámica cuántica). Hay muchos candidatos. Muchos físicos con grandes posibilidades y cuyas contribuciones están en todos los libros de texto sobre teoría cuántica de campos.

Las teorías matemáticas de simetría que se utilizan en teoría cuántica de campos (teorías de Yang-Mills) que subyacen al Modelo Estándar y a la teoría de quarks en particular requieren que estas partículas no tengan masa. Pero los quarks “aparentan” tener masa. Nadie ha aislado un quark y ha medido su masa en reposo, aunque todos los experimentos actuales parecen indicar que tienen masa en reposo no nula, nadie sabe exactamente cuánta es. El descubrimiento de que el quark top (cima), el más pesado, tiene una masa decididamente diferente de cero (algo hoy en día indiscutible) ratificó que los quarks “deben tener” masa en reposo no nula (aunque no sepamos calcularla). ¿Por qué los quarks tienen masa? El proceso todavía no se entiende (hasta que se encuentre en bosón de Higgs o lo que lo sustituya no se logrará), pero lo que queda claro que las ideas que se barajan para darle masa a los fermiones (electrones y neutrinos) podrían ser también aplicables a los quarks. La idea básica es la ruptura espontánea de la simetría (teorizada a alta energía) que hace que a baja energía, con la simetría rota, observemos estas partículas con masa. Este proceso ya se observó en la teoría de la superconductividad y su aplicación a las teorías cuánticas de campos corrió a cargo de Yoichiro Nambu, motivo por el que ha recibido el premio Nobel en Física de 2008.

Los trabajos de Nambu fueron la base para los trabajos de Goldstone, en los que se basaron tanto Englert y Brout, como Higgs, independientemente (si se descubre el bosón de Higgs, entre estos cuatro investigadores estará otro Nobel). De hecho, fue el propio Nambu el que llamó a la partícula “bosón de Higgs” en lugar de “bosón de Englert-Brout-Higgs”, que hubiera sido un nombre, históricamente, más apropiado (los bosones de Goldstone son algo “ligeramente” distinto). Volviendo a Nambu, he de indicar que es un gran teórico y a estas alturas de su vida (nació en 1921) ha realizado grandes contribuciones a la física teórica (por ejemplo, en la gran “denostada” teoría de cuerdas). 

¿Es el mecanismo de ruptura de simetría (la violación de la simetría CP) la que dota de masa a todos los fermiones (quarks, electrones, neutrinos)? Realmente nadie lo sabe. Pero todos “creemos” saberlo. Si no fuera así la sorpresa sería mayúscula (el LHC del CERN nos dará la respuesta en unos 3 años). Lo dicho, si el mecanismo de ruptura de la simetría es el responsable de dotar de masa a los quarks, eso significa que los “estados cuánticos” de estas partículas a alta energía (soluciones simétricas) pueden combinarse para obtener los “estados masivos” de estas partículas a baja energía (soluciones con simetría rota). La combinación más sencilla sería de uno a uno (pero no es lo que observamos, hay varias generaciones de fermiones, por lo que debe haber algún tipo de mezcla). Lo más sencillo para esta mezcla es suponer que haya una relación lineal entre esos dos tipos de estados, es decir, hay una matriz (unitaria) que relaciona ambos tipos de estados. Esta matriz es la matriz de Kobayashi-Maskawa, es la que instancia dicha relación y por la que estos dos investigadores japoneses, Kobayashi (1944-) y Maskawa (1940-) han compartido la otra mitad del premio Nobel de Fïsica de 2008.

¿Simetría CP? ¿Qué es eso? En las teorías cuánticas de campos relativistas, la invarianza relativista “obliga” a que estas teorías cumplan tres leyes de invarianza básicas: la simetría ante inversiones temporales (T), que la teoría es válida tanto si el tiempo avanza hacia el futuro como hacia el pasado, la simetría ante inversiones especulares (P), que el mundo de Alicia antes y después de cruzar el espejo tiene las mismas leyes físicas, y la simetría entre partículas de materia y antimateria, invarianza de conjugación de carga (C). Todas las teorías cuánticas relativistas “razonables” deben cumplir el “sacrosanto” de la invarianza conjunta CPT. ¿Pero qué pasa con las simetrías “simples” P, T, C, PT, CP, o CT? La fuerza nuclear débil, responsable de las interacciones en las que intervienen neutrinos, viola la paridad (simetría P), por lo que los teóricos Yang y Lee recibieron el premio Nobel de Física en 1957. ¿Qué implicaciones teóricas tendría que se violara, por ejemplo, la simetría combinada CP? En esto estaba trabajando Nambu alrededor de 1960. Y por ello ha recibido el Nobel. ¿Cómo podría desarrollarse ese mecanismo? Gracias a un campo que podría tener “remanentes”, partículas que pudieran ser observadas, como el bosón de Higgs.

El Higgs todavía no ha sido observado ni ningún otro bosón escalar que “medie” en la ruptura de la simetriá. ¿Qué otras consecuencias experimentales puede tener la violación de la simetría CP? Ciertas desintegraciones de partículas (mesones) estarían prohibidas si la simetría CP no se violara. En 1964, Cronin y Val Fitch descubrieron experimentalmente que la desintegración del mesón K violaba la simetría CP (en 2001 se descubrió que los mesones B también la violan, había evidencia desde 1999). Los teóricos de finales de los 1960s empezaron a entender que quizás la causa de que el universo nos muestre sólo materia y no antimateria (por partes iguales se tuvieron que crear tras la Gran Explosión) también podría estar relacionada con la violación de la simetría CP. A principios de los 1970s una nueva teoría de la fuerza nuclear fuerte empezaba a ser considerada, una teoría que se basaba en la existencia de unas hipotéticas partículas llamadas quarks. Si la simetría CP se violaba tenía que haber varias generaciones de quarks (como las había de los electrones, entonces se conocían dos, el electrón y el muón). Esto fue lo que estudiaron en 1972, Kobayashi y Maskawa, quienes desarrollaron la teoría cuántica de campos con simetría rota para estas generaciones de los quarks. En aquella época sólo se conocían dos generaciones (de electrones y de quarks). El trabajo de estos japoneses demostró que la consistencia de la teoría requería que existiera una tercera generación, aún por descubrir. Y no tardó en ser descubierta (primero con el descubrimiento del tercer electrón, alrededor de 1974, y luego con el descubrimiento del quinto quark, bottom, en 1977). Hoy, su trabajo es fundamental para estudiar las tres generaciones de quarks que han sido observadas (no para entender por qué hay sólo tres, ese es otro problema aún no resuelto). La existencia de generaciones de partículas elementales es uno de los pilares fundamentales del Modelo Estándar actual.

No os aburro más. Enhorabuena a los premiados, en especial a Nambu, que con sus casi 88 años ya estaría perdiendo la esperanza de recibir el Nobel, obviamente relacionado con el bosón de “moda”. ¿Por qué lo digo? Porque el año en el que se enciende el LHC no se han podido realizar las primeras colisiones por un problema técnico “menor” con lo que el descubrimiento del Higgs se retrasará por lo menos hasta 2011.

Sitio oficial del Premio Nobel de Física 2008.

Artículos Premiados:

Title: CP-VIOLATION IN RENORMALIZABLE THEORY OF WEAK INTERACTION
Author(s): KOBAYASH.M; MASKAWA, T
Source: PROGRESS OF THEORETICAL PHYSICS   Volume: 49   Pages: 652-657   Published: 1973
Times Cited: 3,232

Title: DYNAMICAL MODEL OF ELEMENTARY PARTICLES BASED ON AN ANALOGY WITH SUPERCONDUCTIVITY .1.
Author(s): NAMBU, Y; JONA-LASINIO, G
Source: PHYSICAL REVIEW   Volume: 122   Pages: 345-358   Published: 1961
Times Cited: 2,869

Title: DYNAMICAL MODEL OF ELEMENTARY PARTICLES BASED ON AN ANALOGY WITH SUPERCONDUCTIVITY .2.
Author(s): NAMBU, Y; JONA-LASINIO, G
Source: PHYSICAL REVIEW   Volume: 122   Pages: 345-358   Published: 1961
Times Cited: 1,292

Nota: Giovanni Jona-Lasinio, coautor del artículo más citado de Nambu, es un físico-matemático italiano. ¿Qué pensará por no haber recibido el Nobel? Nambu es mucho más famoso e importante, pero ¿él no ha pintado nada en dichos artículos? En honor a la verdad, en dichos artículos de Nambu y Jona-Lasinio se menciona que la idea original es de Nambu que ya publicó una versión más limitada en la misma revista Yoichiro Nambu, “Quasi-Particles and Gauge Invariance in the Theory of Superconductivity,” Phys. Rev. 117: 648-663, 1960 , pero que ha citado muchas veces menos (menos de 700 veces).

Qué aprenderemos del mundo si se descubre el bosón de Higgs en el LHC del CERN

Supongamos que el LHC del CERN descubre el bosón de Higgs. ¿Qué importancia “científica” tendría dicho descubrimiento para el “hombre de la calle”? Quizás lo más importante es que el bosón de Higgs sería un nuevo tipo de materia, el primero encontrado en más de un siglo. Es verdad que se han descubierto muchas partículas nuevas “parecidas” al electrón (neutrinos, quarks, etc.) y que se han descubierto muchas partículas nuevas “parecidas” al fotón (bosones W y Z, gluones, etc.), pero el bosón del Higgs sería la primera partícula elemental tipo bosón escalar encontrada en toda la historia. Un nuevo tipo de materia completamente “nuevo”.

La primera cuestión es ¿qué bosón de Higgs se ha descubierto? ¿Cómo…? ¿Hay más de uno? Bueno, hay muchos modelos matemáticos (teóricos) para una partícula “tipo” bosón de Higgs (una revisión técnica pero al mismo tiempo asequible es “HIGGS BOSONS: THEORY AND SEARCHES,” de G. Bernardi et al., Particle Data Group, November 2007; esta entrada también está basada en G. L. Kane et al., “What will we learn if a Higgs boson is found [at LEP2]?,” Phys.Rev. D64, 095013, (2001), ArXiv preprint).

Recapitulemos. Está el bosón de Higgs que aparece en la teoría electrodébil (en el Modelo Estándar) que dota de masa a los bosones vectoriales W y Z pero no al fotón. Se supone que este bosón podría dar también masa a los fermiones (electrones, neutrinos, quarks) pero posiblemente haya otros bosones de Higgs que se encarguen de ello. Pero también hay otros bosones de Higgs (otros modelos). El bosón de Higgs en las teorías supersimétricas es mucho más ligero y también se han propuesto modelos en los que el bosón de Higgs es una partícula compuesta de otros más elementales. Hasta que no se observe el Higgs y se determinen sus propiedades no sabremos “cuál/es es/son realmente.”

Un bosón de Higgs con un masa en reposo inferior a 130 GeV, pongamos 120 GeV (casi 128 veces la masa del protón), será supersimétrico casi con toda seguridad y vendrá acompañado de una “parejita” (otro bosón de Higgs). Con una masa entre 130 y 180 GeV será el del Modelo Estándar (un bosón único). Con una masa mayor hay muchas otras posibilidades, por ejemplo entre 180 y 230 GeV será un bosón compuesto (teorías de technicolor).

Una curiosidad, casi sorprendente, es que el primer bosón de Higgs encontrado no sea el más ligero (de menor masa en reposo) sino el segundo, que haya un bosón de Higgs más ligero que esté fuertemente desacoplado del resto del Modelo Estándar y que por ello haya sido “descartado erróneamente” en los límites a la masa del bosón de Higgs más ligero obtenidos con el LEP2 del CERN, que aseguran una masa mayor de 115 GeV. Para muchos investigadores esta posibilidad es la “más natural” ya que permitiría que el bosón de Higgs más ligero tuviera una masa en reposo similar a la masa de los bosones W y Z (ligeramente mayor que la del bosón Z). Ello evita que haya que realizar ciertos “malabarismos” técnicos para desplazar la masa en reposo del Higgs unos 30 GeV más que la masa del bosón Z, su valor “natural” (si suponemos que tiene unos 120 GeV).

¿Pero cómo es posible que un bosón de Higgs supersimétrico tenga una masa inferior al límite de 115 GeV obtenido con el LEP-2 del CERN? Si la ruptura de la simetría electrodébil es mediada por la supersimetría, entonces la masa de un bosón de Higgs tipo el del Modelo Estándar, que ha sido restringida por los resultados del experimento, no está relacionada con los acoplamientos de la fuerza débil en el Modelo Estándar y un bosón de Higgs supersimétrico no tendría que cumplir dicho límite inferior. En relación a este tipo de estudios, os recomiendo el reciente artículo de Puneet Batra, Eduardo Ponton, de la Universidad de Columbia, “The Supersymmetric Higgs,” ArXiv preprint, 22 Sep 2008 .

Para algunos autores es más “natural” un bosón de Higgs (supersimétrico) de baja masa que un Higgs del tipo del Modelo Estándar. Pero, ¿qué entendemos por “natural”? El Principio de Naturalidad, como el Principio Antrópico, es una guía para la selección de modelos teóricos con información estrictamente teórica, cuando no hay información experimental. Siguiendo al genial y premiado con el Nobel ‘t Hooft, el Principio de la Naturalidad nos dice que si la Naturalieza muestra un parámetro con un valor pequeño a cierta escala de energía, entonces necesariamente en el límite en el que el parámetro se vuelva nulo el sistema debe ganar simetría, debe tender a un estado más simétrico (para una descripción más técnica pero comprensible ver por ejemplo “NATURALNESS AND ELECTRO-WEAK SYMMETRY BREAKING,” de Romesh K. Kaul, ArXiv preprint, 26 May 2008 ) .

La Electrodinámica Cuántica (QED) y la Cromodinámica Cuántica (QCD) son teorías perfectamente naturales. Tanto en QED como en QCD la masa de las partículas (electrones y quarks) está asociada a una ruptura de la simetría y cuando estas masas se hacen cero, la simetría se recupera. Sin embargo, una teoría con un campo escalar que corresponda a una partícula elemental tipo bosón escalar (no se ha descubierto todavía ninguna) “no es natural” ya que su correspondiente masa no está asociada a ninguna simetría aproximada y hacer que tienda a cero no introduce ninguna simetría adicional. La teoría electrodébil (EW) no es natural porque requiere de un campo escalar (el bosón de Higgs) que destruye la “naturalidad” que podría tener la teoría.

La solución más sencilla al problema de la falta de naturalidad de la teoría electrodébil es suponer que el bosón de Higgs es una partícula compuesta (no elemental). Por ejemplo, una combinación sin espín (por eso es una partícula escalar) de un fermión y un antifermión. A esta solución se la denomina teoría del technicolor. De hecho, ambos fermiones, llamados techniquarks, podrían estar confinados en el bosón de Higgs (como los quarks en un protón) y por tanto no podrían ser observadas como partículas “separadas” (tampoco podemos observar a los quarks de esta forma). ¿Podrían ser los tecniquarks iguales a los quarks? No, en dicho caso deberían ser quarks top o cima (un cima y un anticima) pero un tal Higgs requeriría que la masa del quark cima fuera mayor que la experimentalmente medida en la actualidad.

El technicolor es una solución al problema de la naturalidad que no gusta a todo el mundo, especialmente por que hay otra solución (hay muchas más, por supuesto) que gusta a mucha más gente, la supersimetría, como descubrió R.K. Kaul en 1982. La supersimetría está rota pero se recupera cuando la masa de partículas escalares como los bosones de Higgs se hacen tender a cero, como exige el Principio de Naturalidad. Es una solución elegante y simple, que además sólo requiere teorías de tipo perturbativo, lo que simplifica la matemática. Por ello, es más “natural” concebir un bosón de Higgs como partícula supersimétrica que no siéndolo.

Un descubrimiento en el LHC que mataría “dos pájaros de un solo tiro” sería el descubrimiento de no uno sino dos bosones de Higgs con una masa del orden de 120 GeV, ya que ello casaría a la perfección con las predicciones del Modelo Estándar Minimal Supersimétrico (MSSM). Llamémosles Higgs Up (HU) y Down (HD). Uno de estos bosones de Higgs podría, incluso, tener una masa inferior a 115 GeV (de unos 95 GeV) y el otro una un poco más grande. Permitidme para acabar una “broma”: algunos claman que el bosón de Higgs es la “partícula de Dios”, pero si se descubrieran dos Higgs, ¿seguría siéndolo?

Un poco de futurología: ¿cuál será el primer artículo publicado del LHC del CERN?

[Edición de 26 septiembre de 2008: en todas las fechas de esta entrada hay que añadir un retraso de unos 6 meses. El LHC ha sufrido un problema técnico: una fuga no esperada. Habrá que calentar hasta la temperatura ambiente todos los imanes, reparar la fuga, chequar el resto, y luego volver a enfriar todos los imanes; además, en invierno no puede usarse el LHC para no sobrecargar las líneas eléctricas en las cercanías de Grenoble.]

El LHC del CERN está de moda. ¡A quién le importa! Parece que a mucha gente. ¿Cuál será el primer “descubrimiento” del LHC? Obviamente, nadie lo sabe.

Lo que sí sabe es que Stephen Hawking ha apostado 100$ contra Peter Higgs a que el LHC no encontrará el bosón de Higgs. ¿Sólo 100 dólares? ¿Por qué no 10.000? ¿Sabe Hawking que va a perder la apuesta? Ya ha perdido varias. Eso sí, acompañadas de sendos libros que ha sabido “vender” bien.

¿Será el descubrimiento del Higgs el primer “gran resultado” del LHC? Pongamos los pies en la tierra. No. Lo siento, querido lector, pero no. Yo no soy experto, así que no me creas, si no quieres,… pero, por lo poco que sé, no lo será. ¿Cuál lo será? Veamos qué dice al respecto O. Buchmüller, del CERN, en su artículo “The Search for New Physics at the LHC,” en el congreso Strings 2008, celebrado, donde si no, en el propio CERN del 18 al 23 de agosto de este año (video en inglés de la conferencia), al que por cierto Ed Witten no ha asistido ¿por qué será?

Lo primero que debemos saber es que en las colisiones de protones generarán tantas partículas, que encontrar fenómenos interesantes o nuevos es lo mismo que buscar una aguja en un enorme pajar. Para lograrlo hay que comprender muy bien los procesos involucrados en estas colisiones para poder separar lo conocido de lo desconocido. Por tanto, los primeros experimentos tendrán por objeto mejorar nuestro conocimiento de lo conocido y sus resultados serán tan “aburridos” como ”nuestro pan de cada día.”

Probablemente el primer artículo publicado a partir de datos del LHC será algo como

“Charged particle multiplicity in pp collisions at 10 TeV,” CMS collaboration, Mach 2009. [Edición de 26 septiembre de 2008: September 2009]

Se redescubrirá el Modelo Estándar, reestableciéndolo a una energiá de 10 TeV (más tarde hasta 14 TeV). Un acontecimiento importante será el redescubrimiento del quark top, por primera vez en Europa.

¿Cuándo se descubrirá el bosón de Higgs en el LHC? Un bosón de Higgs de unos 120 GeV (el que yo considero más razonable) se descubriría entre el año 2010 y el 2011. El rango de masas en reposo para el Higgs en el que será más difícil encontrarlo será entre 115 y 120 GeV. El descubrimiento más pronto del Higgs se produciría a principios de 2009 sólo si su masa fuera de unos 160 GeV en el detector ATLAS, ya que es el rango donde menor “luminosidad” se requiere, pero recordemos que el Tevatrón ya ha excluido un Higgs con una masa de unos 170 GeV (pero no menos o más).

Muchos esperan que antes se hayan descubierto cosas más interesantes con lo que quizás se cumpla la predicción de M.E. Peskin “Cuando el LHC descubra el bosón de Higgs, este descubrimiento ya no será considerado interesante.”

2008 es el año de la máquina, de la puesta en marcha de la máquina, los detectores y todos los sistemas informáticos de análisis de datos.

2009 es el año de los primeros descubrimientos, de los primeros resultados, el re-descubrimiento del Modelo Estándar a 10 TeV, que habré que comprender para conocer el “ruido de fondo” (lo ya conocido que no interesa) que observaremos en las colisiones.

2010-2011 serán los años del Higgs, cuando el LHC descubra (o excluya) la existencia de dicha partícula.ç

2009 podría ser el año del descubrimiento (primeras evidencias) de la supersimetría a baja energía (una partícula WIMP) aunque se requerirá más tiempo para confirmarlo sin lugar a dudas.

Los próximos años serán muy interesantes para la Física. En este blog estaremos siempre “al loro” de los nuevos descubrimientos y evidencias.

Quien será el primero en descubrir el bosón de Higgs (o para qué sirve el LHC del CERN)

Los resultados experimentales relativos a la búsqueda del bosón de Higgs (predicho por el Modelo Estándar de partículas elementales y aún no encontrado) indican que su masa es mayor de 114 GeV (unas 121 veces la masa del protón). El Tevatrón en el Fermilab (cerca de Chicago, EEUU) está buscando “desesperadamente” al bosón de Higgs en el rango de masas de 114 a 200 GeV. Sin embargo, su luminosidad no este rango no es tan buena como la del LHC (Large Hadron Collider) del CERN que empezará a funcionar el 10 de septiembre (fecha planificada a día de hoy). El LHC puede encontrar un bosón de Higgs con una masa entre 114 GeV y 1000 GeV (1 TeV), para lo que utilizará a pleno rendimiento colisiones protón-antiprotón con hasta 7 TeV en su centro de masas. Sin embargo, la luminosidad del LHC para posibles detecciones del Higgs es baja en el rango de masas de 114 a 125 GeV aunque mejora mucho conforme la masa en reposo del Higgs cece.  ¿Quién será el primero en observar el Higgs? ¿El LHC europeo o el Tevatrón americano?

En la web de Scientific American (que 2 meses más tarde es traducida al español como Investigación y Ciencia) acaba de aparece la noticia ”Fermilab says: “Hey wait, we’re in the Higgs hunt, too!,” Aug 8, 2008 , artículo escrito por J.R. Minkel, traducida “Eh! Que el Fermilab puede encontrar el Higgs antes que el LHC.” De hecho, ahora han empezado una búsqueda por intervalos y acaba de excluir un bosón de Higgs con una masa de unos 170 GeV (aunque no uno con una masa entre 114 y algo menos de 170, o uno con algo más de 170). Para ello han combinado resultados obtenidos con los detectores CDF y DZero del Tevatron. Es la primera vez que el Tevatron restringue de esta forma la masa del Higgs, y no será la última (Fermilab Today, “Tevatron experiments double team Higgs boson,” 4 August 2008).

Ahora mismo parece estar de moda “comentar” las predicciones del blog multiautor “Cosmic Variance,” en el que 6 físicos escriben sobre física y sobre “sus cosas.” La entrada más comentada es “What will the LHC find?,” de Sean Carroll, físico del Caltech de gran reputación, especialmente por su faceta de divulgador científico (sigue la línea “comercial” de Paul Davis, en mi opinión, claro). ¿Y qué hace el Dr. Carroll en dicha página? Pues cuantifica el porcentaje de posibilidades de que el LHC descubra cosas. ¿Cómo lo cuantifica? Por su “cara bonita.” Faltaría más. Cual Paul Davis, si el lo dice, que los demás se lo crean. Desafortunadamente para tí, estimado lector, a mí no me gusta la ”cuantificación religiosa” y prefiero la ”cuantificación empírica.” Tomemos, por ejemplo, Scopus de Elsevier (y las páginas web de Scirus). Como veremos, la web es más optimista que la literatura científica. Recapitulemos.

El LHC encontrará el bosón de Higgs con una probabilidad del 95% según Carroll. Hay 4337 artículos (55869 en la Web según Scirus) sobre el bosón de Higgs de los cuales 33 (569) son sobre teorías sin Higgs, es decir, en mi “opinión” hay un 99.24% (98.98%) de probabilidades de que se encuentre el Higgs en el LHC ya que ese porcentaje de artículos publicados considera que el Higgs “existe.” Soy más optimista que Carroll.

El LHC encontrará pruebas de la supersimetría con una probabilidad del 60%. Hay 11777 artículos (104156 en la Web) sobre supersimetría de los cuales 1001 (11777) discuten sobre la posiblidad de que la supersimetría no sea econtrada en el LHC, por tanto, en mi “opinión” hay 91.50% (80.93%) de posibilidades de que se encuentre la supersimetría en el LHC (mi “apuesta” es que el Nobel de Física será recibido por los directores del LHC por el descubrimiento de la supersimetría). También soy más optimista que Carroll.  

El LHC encontrará pruebas de dimensiones espaciales ”grandes” tipo Arkani-Hamed (dimensiones compatificadas) con una probabilidad del 1% (10%). Además, encontrará evidencia a favor o en contra de las supercuerdas con una probabilidad del 0.5%.  Sólo 11 artículos (1246 webs) de 534 (6270) sobre dimensiones espaciales superiores compactificadas consideran la posibilidad de encontrarlas en el LHC con lo que en mi “opinión” la probabilidad de encontrarlas en el LHC es sólo de 2.06% (19.87%). Pero si, como creo, esta “opinión” hay que contextualizarlas en el marco de la teoría de cuerdas el valor se reduce a sólo el 0.32% (5.21%). De hecho, las probabilidades de encontrar pruebas a favor o en contra de ”las ideas” de supercuerdas en el LHC se reflejan en sólo 38 (1908 ) artículos de 3413 (23918 ), es decir, con una probabilidad del 1.11% (7.98%). Sorprendentemente, grosso modo, “coincido” con Carroll en sus órdenes de magnitud.

 

 

El LHC encontrará pruebas de agujeros negros de evaporación rápida (estables y peligrosos para la vida en la Tierra) con una probabilidad del 0.1% (10^(-25) %). ¿De dónde habrá sacado Carroll estos números? Hay 194 artículos (7051 webs) sobre agujeros negros en el LHC de un total de 19737 (736137) sobre agujeros negros en general, por tanto, la “probabilidad”de encontrar agujeros negors de evaporación rápida en el LHC es del 0.98% (0.96%). En mi “opinión” personal esta probabilidad es realidad mucho más alta de la “correcta” y coincido con Carroll en que un 0.1% es más razonable. En cuanto al peligro de los mismos. En mi opinión, la probabilidad de 10^(-25) de Carroll, similar en orden de magnitud a la probabilidad de que en el próximo segundo caiga un meteorito sobre la Tierra y la destruya, es despreciable. Por ello, creo que la probabilidad de que el LHC sea inseguro es “nula”.

El LHC encontrará evidencia de la materia oscura con una probabilidad del 15%. Este valor contradice a la probabilidad de encontrar la supersimetría (60% según Carroll), ya que prácticamente todos los investigadores creen que la materia oscura no es otra cosa que partículas supersimétricas. Como ya he indicado, mi “opinión” es que la supersimetría y la materia oscura (la partícula supersimétrica de menor masa en reposo) serán encontradas con gran probabilidad, del orden del 90%.

Continuará… o no.

Por cierto, si habéis llegado hasta aquí, no podéis dejar de leer Higgs 101 (y no os asustéis con el lagrangiano de la teoría electrodébil, el del Modelo Estándar completo es aún más complicado y no digamos el del Modelo Minimal Supersimétrica, la física teórica no es fácil).

La masa del quark top (cima) sigue creciendo según el Tevatrón (o qué pasará en el LHC del CERN dentro de “unos” días)

U. HEINTZ, “TOP QUARK MASS MEASUREMENTS AT THE TEVATRON,” ArXiv Preprint, 6 June 2008. [emulenews en Menéame] La nueva estimación de la masa del quark cima, 172.6±1.4 GeV, con un error por debajo del 1%, decrece el límite superior (si el Modelo Estándar es correcto) de la masa del Higgs hasta como mucho 160 GeV (al 95% de confianza), resultando 114 < mH < 160 GeV, es decir, entre 121 < mH < 170 veces la masa del protón (0.938 GeV). Son buenas noticias para la búsqueda del Higgs en el LHC. De interés para aficionados a la física. [¡¡noticia en portada de Menéame!!]

El quark top es la partícula elemental de más masa conocida hasta el momento. Los nuevos datos se han obtenido en el Tevatrón, que se encuentra en el Fermilab, a las afueras de Chicago, EEUU, en colisiones protón-antiprotón a la friolera de 1.96 TeV (tera-electrón-voltio). Recuerda que en su arranqeu, el LHC empezará con colisiones similares pero a 2 TeV (aunque la “luminosidad”, la probabilidad de detectar ciertas “cosas”, del LHC es mayor que la del Tevatrón). La idea de que el fin del mundo está próximo es completamente descabellada (en los rayos cósmicos, de hecho, se obtienen energías cientos de veces mayores y “no pasa nada”). Días, horas, y minutos para el arranque del LHC (cuenta atrás para los físicos) [emulenews en Menéame] Relacionada con meneame.net/story/lhc-cern-ya-tiene-fecha-arranque donde se anunciaba que el arranque del LHC ya tiene fecha. Pues bien, aquí tenéis un contador (basado en dicha fecha) para poder publicar en meneame la noticia del encendido del LHC un día antes. Ánimo, a ver quién es el primero. [¡¡otra noticia en portada de Menéame!!]

Lo que NO pasará cuando arranque el LHC del CERN.

Física de partículas sin partículas (o Georgi’s unparticle physics)

Howard Georgi es uno de los grandes genios vivos de la Física de Partículas (según el ISI Web of Science 1945-2007 tiene un índice-h de ¡¡73!!, al menos 73 artículos con más de 73 citas). Ampliamente conocido es uno de los creadores de las Teorías de Gran Unificación (GUT), en concreto de los modelos más conocidos SU(5) y SO(10). Su artículo más citado es H. Georgi and S.L. Glashow, “UNITY OF ALL ELEMENTARY-PARTICLE FORCES,” PHYSICAL REVIEW LETTERS 32 (8): 438-441 1974, citado más de 2275 veces, etá en el TOP 25 de los artículos más citados de todos los tiempos, que propone SU(5) para unificar las fuerzas fuertes, débiles y electromagnéticas. Su segundo artículo más citado estudia las masas de los hadrones (bariones y mesones) en el contexto de la teoría de quarks (la cromodinámica cuántica), De Rújula, Georgi, Glashow, “HADRON MASSES IN A GAUGE THEORY,” PHYSICAL REVIEW D 12 (1): 147-162 1975. El artículo empieza de forma muy curiosa “Once upon a time, there was a controversy in particles physics. There were some physicists who denied the existence of structures more elementary than hadrons.” Así como uno de los introductores del Modelo Minimal Supersimétrico, la versión supersimétrica del Modelo Estándar, en su tercer artículo más citado, Dimopoulos, Georgi, “SOFTLY BROKEN SUPERSYMMETRY AND SU(5),” NUCLEAR PHYSICS B 193 (1): 150-162 1981 [free version].

Los artículos de Howard Georgi siguen siendo algo frikis, pero muy interesantes y ampliamente citados. Entre los últimos destaca su propuesta de estudio de la componente “Sin Partículas” de la Fïsica de Partículas: “Unparticle Physics,” Physical Review Letters 98, 221601, 2007 [free preprint] y “Another Odd Thing About Unparticle Physics,” Physics Letters B, 650(4): 275-278, 5 July 2007 [free preprint]. La idea es muy simple, aprovechar la invarianza de escala de las partículas sin masa y montar una teoría cuántica de campos con invarianza de escala (teorías de Banks-Zaks de 1982) a la que no se puede aplicar el concepto de partícula.

Las partículas en una teoría cuántica de campos están caracterizadas por valores de energía, momento y masa (en reposo) bien definidas. Si multiplicamos estos valores por un factor de escala el resultado no corresponde a dicha partícula. En concreto, la masa en reposo siempre es la misma independientemente de la energía y el momento de la partícula. Pero, qué pasa con las partículas con masa en reposo nula (como los fotones), la teoría de estas partículas permite la invarianza de escala. Las “no partículas” (unparticles) corresponden a la posible existencia de “estados” sin masa nula que son invariantes ante transformaciones de escala (aplicados a energía, momento y masa). Hasta el momento “nada” prohibe su posible existencia aunque todavía no han sido observadas experimentalmente. Quizás el LHC (Large Hadron Collider) la encuentre. Por ello, un gran número de físicos teóricos se han puesto las pilas y están “como locos” estudiandos sus propiedades y cómo podrían ser detectadas.

Las “no partículas” interactúan débilmente con el resto del Modelo Estándar, apareciendo en los experimentos como una energía y momentos “perdidos” que no pueden ser detectados experimentalmente. Ciertas distribuciones de energía “perdida” son una señal (signatura) clara de este sector. ¿Influye sobre el electrón? Sólo a energías de decenas a cientos de TeV (el LHC funcionará con un pico de menos de 10 TeV), luego quizás sea indetectable. El sector de “no partículas” permite explicar muchas cosas de forma novedosa como la violación de la simetría CP, violación de la simetría de sabor para leptones, explicación de la anomalía NuTeV para el ángulo de Weinberg en el Fermilab, etc.

Podría estar hecha la Materia Oscura del Universo de “no partículas”. El artículo de Tatsuru Kikuchi, Nobuchika Okada, “Unparticle Dark Matter,” ArXiv preprint, 2007, así lo propone. Las “no partículas” con paridad pueden ser un candidato para materia oscura fría gracias a su acoplamiento con el sector de Higgs del Modelo Estándar. Por ejemplo, si la masa del bosón de Higgs está en el rango (bastante razonable) 114.4 GeV < m_h < 250 GeV, la abundancia de un fondo cósmico de “no partículas” generadas en el Big Bang con masas en el rango 50 GeV < m_U < 80 GeV es consistente con la densidad y propiedades observadas de la materia oscura fría. En este escenario, un bosón de Higgs con una masa m_h < 160 GeV decae de forma dominante en un par de “no partículas”, siendo dicha caída detectable en el futuro LHC.

¿Podrían ser las “no partículas” un tipo de partículas pero con masa arbitraria? La propuesta de H. Nikolic, “Unparticle as a particle with arbitrary mass,” ArXiv preprint, 2008, que implementa una segunda cuantización del campo de “no partículas”, con operadores de creación y aniquilación de partículas aplicados a las “no partículas” y muestra que las “no partículas” se pueden manifestar como partículas ordinarias con una masa definida pero arbitraria (masa en reposo no constante).

La importancia y repercusión de un artículo se mide por su número de citas. En el último año (15 meses desde el envíó del preprint) el artículo “Unparticle Physics” ha sido citado la friolera de ¡¡167 veces!! Si eres físico teórico, ¿por qué no escribes un paper para Physics Reports sobre este interesante tópico? Ánimo.

Para saber más: “Interactions of Unparticles with Standard Model Particles“

Muy interesante: “Comments on Unparticles“

¿Cómo será observado el bosón de Higgs? Depende, todo depende, de qué depende … del “sector electrodébil” del Modelo Estándar

Caso de que el bosón de Higgs sea descubierto en el LHC (del CERN) a finales de este año, ¿cómo será observado? La respuesta la tiene el mecanismo “exacto” de la ruptura de simetría electrodébil en el Modelo Estándar de partícula elementales. Créetelo, ¡¡ los físicos no tienen ni idea !! Una de las “funciones” más importantes del LHC será aclarar este mecanismo. Preguntas como ¿existen los bosones de Higgs? ¿qué masa tienen? ¿cuántos bosones de Higgs hay? tendrá una respuesta próximamente.

Se acaba de publicar un artículo “resumen” de lo que sabe sobre el Higgs (lo confieso, no me lo he leído entero, demasiado técnico para mí): Abdelhak Djouadi, “The anatomy of electroweak symmetry breaking. Tome I: The Higgs boson in the Standard Model,” Physics Reports 457: 1-216 (2008). Si os atrevéis a leeros el paper … http://arxiv.org/abs/hep-ph/0503172

La observación del Higgs será a base de observar los “residuos” de sus decaimientos. Las desintegraciones más probables dependen de su masa. Las más importantes son las que aparecen en la siguiente figura sacada del anterior artículo (obtenida mediante simulaciones numéricas del Modelo Estándar utilizando el programa FORTRAN: HDECAY).

El eje de las ordenadas (vertical) muestra la sección eficaz de la desintegración (más o menos, la probabilidad de que se produzca dicha desintegración y sea observada) y el eje de las abcisas (horizontal) muestra la masa en reposo de la partícula de Higgs en GeV (giga (miles de millones) de electrón voltio, recuerda que un electrón tiene una masa de 0.51 MeV = 0.00051 GeV y que un protón tiene 938 MeV = 0.938 GeV, es decir, más o menos 1 GeV es la masa de 1 protón).

Consideremos tres regiones de posibles masas: (1) masa “baja”, entre 110-130 GeV, (2) masa “intermedia”, entre 130-180 GeV, y (3) masa “alta” entre 180-1000 GeV.

(1) Masa “baja”, entre 100-130 GeV, el modo principal de desintegración del Higgs es en un mesón formado por un quark b (bottom) y un antiquark b (anti-bottom), con un probabilidad del orden del 75%. Los demás modos de desintegración tienen probabilidades inferiores al 10%. Es interesante la desintegración en un par de gluones (partículas portadores de la fuerza nuclear fuerte que unen a los quarks entre sí) con una probabilidad del 7% para una masa de 120 GeV. 

(2) Masa “intermedia”, entre 130-180 GeV, los dos modos principales de desintegración son en un par de bosones vectoriales W o un par de Z (bosones portadores de la fuerza nuclear débil, responsables por ejemplo de la desintegración beta de un neutrón, la radioactividad beta, que produce un antineutrino). La desintegración en dos W tiene una probabilidad cercana al 100%.

(3) Masa “alta”, mayor de 2 veces la masa del bosón vectorial Z: 2/3 de las veces, el Higgs se desintegra en dos W, y 1/3 en dos Z; para masas superiores a 350 GeV se abre el canal de la desintegración en un mesón con quark top y antiquark top, aunque con probabilidad pequeña.

Pero, para observar la desintegración de Higgs, primero hay que producirlo. ¿Cómo se pueden producir Higgs en el futuro LHC? En él se harán colisionar dos nucleones (un par de protones, colisión pp) que tendrán que producir el Higgs y algo más (la X en la figura). La figura de arriba muestra las secciones efectivas de producción de Higgs en el LHC a máximo rendimiento (cuando en los choques de protón-protón se involucren 14 TeV, tera o billón de electrón voltios). Se han utilizado varios programas Fortran, como NLO, V2HV, HIGLU, etc. (todos de dominio público, por cierto).

Lo más probable es que se produzca un Higgs en la colisión entre dos gluones fuertemente energéticos seguida por la producción de un Higgs y un par de quarks. Como se observa en la figura, todas las curvas decrecen conformen aumenta la masa del Higgs, con lo que la probabilidad de que el LHC lo encuentre disminuye conforme la masa de éste aumenta. 

En el rango de masas favorecido por los datos de precisión obtenidos en el LEP2 en el CERN, rango de 100-250 GeV, grosso modo, el proceso dominante de producción del Higgs es la fusión de dos gluones. Para las luminosidades esperadas en el LHC este proceso permitirá obtener un gran número de Higgs, se espera así al menos.

La figura de arriba muestra las secciones de producción de Higgs en colisiones protón-antiprotón como las que se observarán en el Tevatrón (se ha considerado su estado dentro de un par de años, cuando alcance los 2 TeV de energía en el centro de masa de la colisión). El mecanismo más relevante asociado a la producción del Higgs es su producción acompañada de un bosón Z, 1.5 veces más probable que acompañado de un W (para una masa del Higgs de 250 GeV). Nótese que la curva discontinua azul, desintegración acompañada de neutrinos, será de difícil observación en la práctica.

En las figuras de arriba se han realizado los cálculos suponiendo la operación del LHC y del Tevatrón a luminosidad máxima (es decir, cuando el número de partículas por unidad de área y de tiempo del detector y por la opacidad del detector es máxima). Este parámetro depende de la calidad del diseño de los detectores en un acelerador de partículas.

Muchachos del LHC (no corran tanto por los pasillos con temor a que pase “algo” cuando lo arranquen),

¡¡ Suerte muchachos !!

Estatus actual de la búsqueda del bosón de Higgs (en la reunión de la APS)

Traducción libre de “PHYSICS NEWS UPDATE”, The American Institute of Physics Bulletin of Physics News, Number 861, April 15, 2008, www.aip.org/pnu by Phillip F. Schewe and Jason S. Bardi.

ENCONTRAR EL BOSÓN DE HIGGS es el problema más importante a resolver en los dos aceleradores de partículas más grandes que nunca se han construido: el Tevatrón del Fermilab (EEUU), que ahora está alcanzando sus picos de energía tras décadas de funcionamiento, y el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) en el CERN (Europa), donde en los próximos meses se harán circular haces de protones (núcleos de hidrógeno) y antiprotones (sus antipartículas) en un túnel de 27 km de longitud. La partítula de Higgs todavía no ha sido encontrada, pero en la conferencia de la Sociedad de Física Americana (APS), esta semana, en St. Louis, docenas de charlas se han referido al estatus actual de la búsqueda del Higgs.

¿Por qué el Higgs es tan importante? Porque se supone que domina el vacío en el universo; no como el antiguo éter, sustrato material para la propagación de ondas electromagnéticas, sino para interactuar con otras partículas y dotarlas de masa (en reposo) no nula. El campo del Higgs normalmente está oculto en el propio vacío, pero si acumulamos suficiente energía en un volumen de espacio minúsculo, como en el punto en el que dos haces de partículas muy energéticas colisionan, entonces el Higgs aparece como una partícula ”real” masiva cuya existencia puede ser detectada.

Los cálculos teóricos usando el Modelo Estándar de la Física de Partículas combinadas con cotas obtenidas de experimentos desarrollados en el pasado nos permiten limitar el rango de masas en reposo de la partícula de Higgs. Ahora mismo sabemos que su masa en reposo debe ser mayor que 114 GeV, pero menor que unos 190 GeV. El Tevatrón del Fermilab genera energía más que suficiente para crear una partícula con ese rango de masas. El mayor problema es su luminosidad, o la densidad de partículas en el haz que se hacen colisionar juntas por segundo. El Tevatrón recientemente ha alcanzada su récord de luminosidad: 3.1 x 10^32 por cm^2 por segundo.

¿Cómo veríamos un bosón de Higgs en el Tevatrón?  Brian Winer (de la Universidad del Estado de Ohio) dice que “el evento más parecido a un evento tipo Higgs” visto hasta el momento en las colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón ha creado una bola de fuego (fireball) que ha decaído en un bosón W (uno de los portadores de la fuerza nuclear débil) y una partícula de Higgs. Pero esta última ha decaído tan rápidamente en un par quark-antiquark (en concreto, bottom-antibottom) con una masa combinada superior a 120 GeV. Como tal, dicho evento no constituye un descubrimiento. Hay eventos de “fondo” que se parecen al resultado de observar un Higgs. Una observación “de verdad” del Higgs requiere eventos candidatos sustancialmetne mayores que el número de eventos de “fondo” esperados. Quizás con el tiempo (e incrementos en la luminosidad) el Tevatrón podrá acumular suficientes eventos candidatos a Higgs como para establecer un “descubrimiento” estadísticamente satisfactorio. Un físico del Tevatrón, Dmitri Denisov (denisovd@fnal.gov) resume el estado actual de los experimentos asociados a los detectores CDF y D0, e indica que se espera que para el año 2010, con una luminosidad posiblemente del doble de la actual y con un número de eventos unas 4 u 8 veces mayor, el Higgs sea “descubierto” en el Tevatrón.

Pero quizás se adelanten en el CERN. A las energías de las colisiones de haces protón-antiprotón en el LHC, el Higgs, si existe, será observado abundantemente. Abraham Seiden (abs@scipp.ucsc.edu) de la Universidad de California en Santa Cruz, resumió el estado actual del LHC. Los ingenieros y científicos del CERN están ajustando los imanes que garantizan que los protones sigan la trayectoria correcta que deberán funcionar a temperaturas próximas al cero absoluto, necesarias para que operen como superconductores. Aunque el LHC está diseñado para alcanzar energías de hasta 7 TeV, será “encendido” a “solamente” unos 5 TeV. Seiden indica que está planificado que para mediados de junio se enfrien los imanes superconductores y esté lista para que los haces de protones empiecen a circular por el anillo. Para agosto próximo se espera que se produzcan las primeras colisiones y “todo” comience … y la historia del Higgs se reescriba … Sin embargo, varios científicos en la Conferencia de la APS estaban un poco excépticos sobre esta fecha cuando fueron preguntados en privado. Agosto es la fecha de los optimistas. Los pesimistas lo retrasan a finales de este año.

El escenario de posibles descubrimientos en el LHC esperado para los próximos años, dice Seiden, más allá del Higgs, hace posible que la primera partícula supersimétrica (la de menor masa en reposo de una gran familia de partículas hipóteticas parejas de las que conocemos) puede ser detectada como pronto en 2009 antes de la confirmación última del Higgs que deberá esperar a 2010.

La carrera de la búsqueda del Higgs está en la línea de salida y sólo ganará el que tenga más “suerte”, ya que tanto Tevatrón como LHC esperan tener un descubrimiento “confirmado” en 2010. ¿Quién ganará? Se admiten apuestas.