La búsqueda de un bosón de Higgs cargado en los datos de LEP

El bosón de Higgs del Modelo Estándar podría ser un miembro de la familia de cinco bosones de Higgs (modelo 2HDM) que predice la supersimetría. Entre ellos deben existir dos bosones de Higgs cargados (con carga eléctrica positiva y negativa). El grupo de trabajo de LEP en la búsqueda del bosón de Higgs (LEPHWG) publica ahora su búsqueda en un análisis combinado de sus cuatro detectores ALEPH, DELPHI, L3, y OPAL. Tras analizar 2,6 /fb de colisiones entre 183 GeV c.m. y 209 GeV c.m. se excluye al 95% C.L. una masa menor de 80 GeV/c² para el modelo 2HDM tipo II o de 72,5 GeV/c² para el modelo 2HDM tipo I. Para este rango de masas los datos de LEP son mucho más fiables que los datos obtenidos con colisionadores de hadrones como Tevatrón y LHC. Recuerdo a los despistados que LEP (Large Electron-Positron Collider) era un colisionador electrón contra positrón que ocupaba hace doce años el túnel del CERN que ahora ocupa el LHC. Se habían publicado búsquedas por separado de Higgs cargados, pero esta es la primera vez que dichas búsquedas se combinan de forma oficial. De hecho, es posible que haya nuevos artículos, pues el modelo 2HDM contiene muchos parámetros libres y sólo se ha explorado una parte. El artículo técnico es Aleph, Delphi, L3, OPAL Collaborations, the LEP working group for Higgs boson searches, “Search for Charged Higgs bosons: Combined Results Using LEP Data,” CERN-PH-EP-2012-369, arXiv:1301.6065 [25 Jan 2013, last revised 10 Jun 2013].

La discrepancia WW como señal de la supersimetría

Por ahora es sólo pura especulación, pero el LHC del CERN ha observado una discrepancia en el número de sucesos WW que apunta a la existencia de una nueva partícula supersimétrica, un chargino o un sleptón. La discrepancia ha sido observada por ATLAS a 7 TeV c.m. (los datos de ATLAS a 8 TeV c.m. aún no están publicados) y por CMS a 8 TeV c.m. Por supuesto, la solución puede ser tan sencilla como que no sabemos calcular bien la cantidad de sucesos WW que predice el modelo estándar (el cálculo actual es NLO) y un cálculo más preciso (p.ej. NNLO o NNLL) puede eliminar la discrepancia entre teoría y observación. Aún así, esta anomalía es muy sugerente y les recuerda a los que ya han matado a la supersimetría en el LHC que todavía es pronto para recurrir al forense. Nos lo cuenta David Curtin, “Sniffing out new physics with Standard Model Standard Candles,” Pheno 2013, May 6, 2013 [slides]. También conviene consultar David Curtin, Prerit Jaiswal, Patrick Meade, “Charginos Hiding In Plain Sight,” Phys. Rev. D 87: 031701, 2013 [arXiv:1206.6888]; y David Curtin, Prerit Jaiswal, Patrick Meade, Pin-Ju Tien, “Casting Light on BSM Physics with SM Standard Candles,” arXiv:1304.7011, 25 Apr 2013.

PS: Más información en la charla de Krzysztof Rolbiecki (IFT-CSIC, Madrid), “Light stops and WW cross section,” Planck 2013, 20–24 May 2013, Bonn [slides; arXiv:1303.5696].

Ellis y You actualizan su estimación LHC+Tevatron+LEP para los acoplamientos del Higgs

Cualquiera puede hacerlo, pero si lo hace John Ellis parece que tiene más valor. Combinar los datos del LHC (ATLAS+CMS), Tevatron (CDF+DZero) y LEP sobre la búsqueda del Higgs es muy difícil si se hace con rigor (colisión a colisión), pero muy fácil si se hace usando el teorema central del límite. El resultado será parecido (pues la estadística nunca miente). El análisis de Ellis y You conduce a un acoplo (combinado) para el Higgs de μ = 1,02 ± 0,12 (el valor para el Higgs del modelo estándar es μ = 1). En el plano (a,c), donde a caracteriza el acoplamiento a los bosones vectoriales y c a los fermiones, se obtiene el mejor ajuste para a = 1,03 ± 0,06 y c = 0,84 ± 0,15 (el modelo estándar predice a=1 y c=1); separando el acoplo a los fotone (c_γ) del acoplo a otros bosones vectoriales (c_g) se obtiene c_γ = 1,18  ±  0,12 y c_g = 0,88 ± 0,11. Estos ajustes apuntan al Higgs del modelo estándar, descartando muchas de las alternativas; el canal más responsable de este buen ajuste es, sin lugar a dudas, el canal difotónico (γγ) analizado por CMS (LHC). Los interesados en los detalles, canal a canal, pueden consultar John Ellis, Tevong You, “Updated Global Analysis of Higgs Couplings,” arXiv:1303.3879, 15 Mar 2013. Repito, muchos otros han obtenido combinaciones similares (a las que yo llamo “oficiosas” aunque el término no guste a algunos de vosotros; quizás habría que llamarlas “estadísticas” o con más rigor “basadas en el teorema central del límite”), pero siendo Ellis el Erdös de la física de partículas, creo que muchos agradecerán que haya destacado su contribución.

El bosón Higgs tras combinar (oficiosamente) LHC+Tevatron+LEP

La combinación oficiosa de los datos sobre el bosón de Higgs de LHC, Tevatrón y LEP nos permite asegurar que para una masa de 126 GeV/c² se ajusta a las predicción del modelo estándar con un valor de μ ∈ [0,98, 1,09] al 95% C.L. Más aún, para sus desintegraciones “invisibles” (en neutrinos, gravitinos, etc.) se puede asegurar que Γ~10^-5 Mh (donde Mh es la masa del Higgs). Todo apunta a que se trata del Higgs del modelo estándar. Más información, para los físicos interesados en el análisis, en Adam Falkowski, Francesco Riva, Alfredo Urbano, “Higgs At Last,” arXiv:1303.1812, 18 Mar 2013. Como la estadística nunca miente, estos resultados serán similares a los que se obtengan con la combinación oficial (que aún nadie sabe cuándo se publicará, pero que yo espero que no se retrase mucho más allá del próximo verano).

Por cierto, el artículo técnico de la Colaboración CMS que resume su búsqueda del Higgs ya está en arXiv, en concreto, The CMS Collaboration, “Observation of a new boson with mass near 125 GeV in pp collisions at 7 and 8 TeV,” arXiv:1303.4571, 19 Mar 2013.

Ya hay explicación del que fue el primer descubrimiento científico del LHC

El 21 de septiembre de 2010 la colaboración CMS hizo publico el primer descubrimiento científico del LHC en el CERN, la existencia de correlaciones inesperadas en la dirección azimutal Δϕ en los sucesos de alta multiplicidad observados en colisiones protón contra protón (p-p) a 7 TeV c.m. (el famoso “ridge” o “cresta” que se observa muy bien para alta pseudorapidez Δη; hoy sabemos que hay una doble “cresta”). El fenómeno fue observado también por ATLAS y ALICE, y en colisiones ión contra ión (Pb-Pb) y protón contra ión (p-Pb); de hecho, hoy se sabe que RHIC observó su existencia en colisiones d-Au y Au-Au en 2004 y 2006, pero en su momento pasó desapercibido. Durante 2012 se han barajado varias explicaciones, pero parece que la más convincente es la ofrecida por los físicos Kevin Dusling y Raju Venugopalan de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NCSU), EEUU. El origen de la “cresta” es una forma sutil de la interferencia cuántica, un estado condensado de color (color glass condensate) predicho en 2002. Más información técnica para físicos en la interesante charla de Kevin Dusling (North Carolina State University), “Long-range angular correlations by strong color fields in hadronic collisions,” Rencontres de Moriond QCD, Mar 15, 2013 [slides].

La explicación para colisiones p-p se presentó en Kevin Dusling, Raju Venugopalan, “Evidence for BFKL and saturation dynamics from di-hadron spectra at the LHC,” arXiv:1210.3890, 15 Oct 2012, para colisiones p-Pb en Kevin Dusling, Raju Venugopalan, “Explanation of systematics of CMS p+Pb high multiplicity di-hadron data at $\sqrt{s}_{\rm NN} = 5.02$ TeV,” arXiv:1211.3701, 15 Nov 2012, y finalmente la confirmación definitiva en Kevin Dusling, Raju Venugopalan, “Comparison of the Color Glass Condensate to di-hadron correlations in proton-proton and proton-nucleus collisions,” arXiv:1302.7018, 27 Feb 2013. La observación original en CMS Collaboration, “Observation of Long-Range Near-Side Angular Correlations in Proton-Proton Collisions at the LHC,” JHEP 1009: 091, 2010 [arXiv:1009.4122].

Hoy el CERN ha reconocido oficialmente que se ha descubierto “un” bosón de Higgs

¿Seguro que hoy? ¿No fue el 4 de julio de 2012? Las autoridades del CERN son muy conservadoras (no quieren meter la pata). El 4 de julio de 2012 se anunció el descubrimiento de un nuevo bosón. Punto. En diciembre de 2012 se empezó a hablar de “un” Higgs (en lugar de “el” Higgs), pero oficialmente seguía siendo un nuevo bosón. ¿Importa el nombre? El Premio Nobel de Física para el bosón de Higgs sólo será concedido cuando el CERN afirme con claridad y rotundidad que se ha descubierto “el” Higgs, si el CERN es conservador, la Academia Sueca lo es aún más. Sin embargo, el rumor es que quizás baste con que el CERN diga que se ha descubierto “un” Higgs. Mucha gente estaba nerviosa porque si el CERN no afirma a tiempo (antes de mayo) que se ha descubierto “un” Higgs, quizás el Nobel se haga esperar hasta 2014. Lo sé, es una tontería, a quién le importan estas tonterías, el Nobel caer caerá. Por fortuna, hoy 14 de marzo de 2013, el CERN ha afirmado que se ha descubierto “un” Higgs. Hoy, se ha dado el pistoletazo de salida a un Premio Nobel al Higgs en 2013. Mucha gente se ha hecho eco de la noticia oficial CERN Press Office, “New results indicate that particle discovered at CERN is a Higgs boson,” 14 Mar 2013. ¿Por qué hoy? Porque hoy en Moriond QCD se han presentado los resultados en el canal difotónico de CMS, que junto a los resultados de ATLAS, se aproximan tanto a lo esperado para un bosón escalar de paridad par (“un” bosón de Higgs) que ya es imposible no afirmar a gritos que se ha descubierto “un” bosón de Higgs. ¿Por qué no se afirma que se trata de “el” bosón de Higgs? Porque aún hay pequeñas desviaciones y porque en rigor el LHC nunca podrá confirmar que se ha descubierto “el” bosón de Higgs (que el Higgs descubierto el 4 de julio tiene todas y cada una de las propiedades predichas por el modelo estándar).

¿Qué ha pasado hoy en Moriond QCD con el canal difotónico en CMS? Pues muy sencillo, el exceso observado en julio ha desaparecido por completo. El cociente entre la tasa de eventos en este canal predicha por el modelo estándar y la observada es μ = 0,8 ± 0,3 (para el modelo estándar μ = 1). La gran desviación (a más de dos sigmas) observada con anterioridad ha desaparecido por completo. ¿Por qué no se proclama entonces el descubrimiento de “el” Higgs en lugar de “un” Higgs? Porque ATLAS sigue mostrando un exceso en este canal (aunque está disminuyendo el último dato es μ = 1,65 ± 0.24 ± 0.25 para una masa de 126,8 ± 0,2 ± 0,7 GeV/c²) y además porque podría ocurrir que “el Higgs” descubierto sea el primer miembro de una familia de Higgs. Hasta que no se descarte que “el Higgs” no corresponde a las predicciones de la supersimetría o de los modelos 2HDM, la dirección del CERN seguirá siendo reticente a hablar en público de “el Higgs” (aunque los demás, yo mismo incluido, podemos hacerlo desde hace mucho tiempo). En mi opinión, hasta que no se combinen los datos de CMS y ATLAS duplicando la estadística, el CERN no dará su brazo a torcer y hablará abiertamente de “el Higgs” (comparte mi opinión Philip Gibbs, “Higgs Spin (Is It really a Higgs then, finally?),” viXra blog, Mar 14, 2013).

Los nuevos datos sobre el canal difotónico en CMS y sobre los dos tipos de análisis realizados en la charla de Christophe Ochando (CMS Collab.), “Study of Higgs Production in Bosonic Decay Channels at CMS,” Rencontres de Moriond QCD, 14 Mar 2013 [slides - ppt]. Las desintegraciones en fermiones en CMS y ATLAS se discuten en la charla de Darren Puigh (ATLAS+CMS), “Search for Standard Model Scalar Boson Decaying to Fermions at the LHC,” Rencontres de Moriond QCD, 14 Mar 2013 [slides - pdf]. Finalmente, un buen resumen de las propiedades del bosón de Higgs según CMS en la charla de Andrew Whitbeck (CMS Collab.), “Higgs Candidate Property Measurements with the Compact Muon Solenoid,” Rencontres de Moriond QCD, March 14, 2013 [slides - pdf].

Recomiendo la lectura de Matt Strassler, “CMS sees no excess in Higgs decays to photons,” Of Particular Significance, Mar 14, 2013. Quien nos recuerda que si hay alguna diferencia entre el Higgs descubierto en el LHC y el predicho por el modelo estándar no lo sabremos hasta, como pronto, finales de 2015.

El espín del bosón de Higgs

El bosón descubierto el 4 de julio de 2012 en el LHC es, con toda seguridad, un bosón escalar (su espín es cero). Su observación en el canal difotónico H→γγ impide (teorema de Landau) que tenga espín uno. La posibilidad de que tenga espín dos (se trataría de un gravitón acoplado de forma no renormalizable al resto de la materia) es muy remota. Sin embargo, desde el punto de vista experimental es muy difícil diferenciar entre una partícula de espín cero y una de espín dos, por lo que hay que recurrir a ideas teóricas. John Ellis y varios colegas han mostrado en un artículo reciente que la dependencia con la energía de la producción W/Z + (H→bb) mostrada por las colisiones en el Tevatrón del Fermilab apunta a un bosón escalar (espín 0+); el artículo experimental correspondiente (que combinará datos de CDF y DZero) está próximo a ser publicado según Emily Johnson (Michigan State University), “Spin and Parity in WH → ℓνbb at DØ,” Young Scientists Forum, Rencontres de Moriond EWK, March 8, 2013 [slides]. Ella nos cuenta que las simulaciones por ordenador (usando MADGRAPH5 y PYTHIA) parecen indicar que la combinación CDF+DZero promete tener datos suficientes para poder diferenciar con claridad entre espín 0+ y espín 2+. Su método es el propuesto por John Ellis et al., “A Fast Track towards the `Higgs’ Spin and Parity,” arXiv:1208.6002, 29 Aug 2012. El nuevo artículo de Ellis y sus colegas, que también usa las mismas ideas, también apunta a que la producción del Higgs por fusión de bosones vectoriales apunta también a un bosón escalar, descartando uno de espín dos, según los datos actuales de CMS y ATLAS; supongo que en los próximos meses se publicará un análisis combinado en esta línea mejorando esta certeza. Por tanto, a día de hoy, afirmar que el bosón descubierto en el LHC tiene espín dos no tiene ningún sentido; su espín es casi con toda seguridad cero. El artículo técnico es John Ellis, Veronica Sanz, Tevong You, “Associated Production Evidence against Higgs Impostors and Anomalous Couplings,” arXiv:1303.0208, 1 Mar 2013.

GIF animados que muestran cómo ATLAS ha descubierto el Higgs

La Colaboración ATLAS del LHC ha publicado unos ficheros GIF animados que muestran cómo se ha descubierto el Higgs en los canales difotónico y ZZ a cuatro leptones. Pincha en las imágenes para ver los GIF animados en tu ordenador.

Nuevos resultados sobre el bosón de Higgs en Moriond EW 2013

Hoy se han presentado en Moriond EW 2013 los primeros análisis de colisiones sobre el Higgs que comprenden todos los datos recabados en el LHC durante 2011 y 2012. Todos esperábamos la actualización del canal difotónico (H→γγ) tanto en CMS como en ATLAS, pero CMS mantendrá el suspense hasta la semana que viene (como pronto). ATLAS ha observado en este canal con 7,4 σ un Higgs con una masa de 126,8 ± 0,2 ± 0,7 GeV/c² (el error está dominado por los sistemáticos) con μ = 1,65 ± 0,24 ± 0,25 (para el Higgs del modelo estándar debería ser μ = 1). La razón de este exceso todavía no es conocida. A falta de datos de CMS, no merece la pena realizar conjeturas. Fabrice Hubaut (ATLAS), “Latest ATLAS studies on Higgs to diboson states,” Moriond EW, 06 Mar 2013 [slides], y Guillelmo Gomez-Ceballos (CMS), “Study of Standard Model Scalar Production in Bosonic Decay Channels in CMS,” Moriond EW, 06 Mar 2013 [slides]. Los interesados en ver los vídeos de las charlas pueden seguir el siguiente enlace. Más información de los resultados de CMS presentados en Moriond en ”New CMS results at Moriond (Electroweak) 2013.”

El exceso en el canal difotónico es una gran alegría para todos los físicos teóricos pues mantiene abierta la veda para la caza de nueva física más allá del modelo estándar. Sin embargo, tenemos que ser cautos. Por un lado, la magnitud del exceso está disminuyendo (en diciembre, ATLAS observó un valor μ = 1,8 ± 0,4 que ha disminuido ahora a μ = 1,65 ± 0,3; los rumores son que el exceso también ha disminuido un poco en CMS). Por otro lado, el exceso sigue siendo una fluctuación a sólo 2 sigmas y este tipo de fluctuaciones son muy habituales tras el análisis de grandes cantidades de colisiones. Por ello, como ya sabéis, mi opinión es que el exceso no es “real” sino un error sistemático asociado al análisis de la predicción teórica del modelo estándar (aunque quizás no desaparezca hasta que se utilicen las estimaciones teóricas 2γN³LO para el proceso H→γγ, en lugar de las actuales 2γNNLO; recuerda que para un Higgs a 125 GeV, el cociente entre el cálculo 2γNNLO y 2γNLO fue de 1,55 [más información]). Animación en fichero GIF de cómo se han obtenido los resultados en ATLAS (muy curiosa).

El canal estrella para la búsqueda del Higgs, el canal H→ZZ→4l, ofrece una señal aún más clara del Higgs con 6,6 σ en ATLAS y 6,7 σ en CMS, aunque para una partícula con masa diferente, 125,8 ± 0,5 ± 0,2 GeV/c² en CMS y 124,3 ± 0,6 ± 0,5 GeV/c² en ATLAS. La señal de CMS apunta a un Higgs del modelo estándar (μ = 0,91 ± 0,3), mientras que la señal de ATLAS sigue mostrando dos “picos” para el Higgs (en este canal difiere respecto al canal difotónico y respecto a CMS en este mismo canal). La señal de CMS apunta al Higgs del modelo estándar, pero la de ATLAS difiere bastante, lo que apunta a que debe haber alguna fluctuación estadística en el análisis (como estos datos son preliminares, quizás se puede descubrir el origen en las próximas semanas).

Como muestran estas dos tablas (fuente de la de arriba y fuente de la de abajo), los nuevos datos sobre el Higgs tienden a confirmar que se trata del bosón predicho por el modelo estándar. Cada día que pasa, las propiedades del nuevo bosón se parecen más a las predichas por la teoría. La semana que viene, en Moriond QCD, habrá nuevos datos sobre el Higgs (lo más esperado son los datos del canal difotónico en CMS). El acoplamiento del bosón observado a fermiones sólo había sido observado en el Tevatrón, pero ahora también se ha confirmado en el LHC. Por ejemplo, ATLAS y CMS han  observado su desintegración en dos leptones tau. En el LHC no es fácil observar la desintegración en un par de quarks bottom (pues el fondo de ruido es muy grande), pero en el Tevatrón la señal en este canal parece muy clara (unas 3 sigmas).

¿Cuándo la dirección el CERN dará su brazo a torcer y reconocerá que se ha descubierto el bosón de Higgs del modelo estándar? En mi opinión, será en julio, durante la conferencia EPSHEP 2013, Estocolmo, Suecia. Esta conferencia en la ciudad que concede los Premio Nobel será el lugar ideal para realizar este anuncio (pues en mi opinión el Premio Nobel de Física de 2013 está claro que será concedido al descubrimiento del Higgs). Lo cierto es que la combinación de los datos de LEP, Tevatrón y LHC no deja casi lugar a dudas: las desviaciones respecto a las predicciones teóricas, de existir, son muy pequeñas. ¿Cuándo se publicará por primera vez una combinación oficial LEP+Tevatron+LHC? La combinación oficiosa deja muy claro que el nuevo bosón es el Higgs.

Los tres primeros días de Moriond 2013

Los Encuentros de Moriond de 2013 sobre Teoría Electrodébil (Rencontres de Moriond EW 2013) se inauguraron el domingo pasado, 3 de marzo, con charlas sobre quarks pesados (bottom y charm), continuaron ayer lunes con charlas sobre materia oscura y el quark top, y hoy con charlas sobre neutrinos. En estos tres días no ha habido sorpresas (la mayoría de los resultados presentados ya eran conocidos y los pocos nuevos eran mejoras de resultados previos). El día estrella será mañana, con la retransmisión vía webcast de los nuevos resultados sobre el Higgs. Mis obligaciones docentes no me permitirán ver toda la retransmisión, pero espero poder hacer un resumen mañana por la noche a partir de las transparencias (slides) utilizadas (por cierto, hay que subscribirse para poder acceder a ellas).

La figura que abre esta entrada está extraída de la charla de Brent Follin (UC Davis / SPT Collaboration), “Exploring Neutrino Physics with the Cosmic Microwave Background,” Moriond EW, 5 Mar 2013 [slides], centrada en los resultados de SPT (South Pole Telescope) ya publicados en octubre de 2012 y su combinación con los de ACT y WMAP-9. Resume bien la situación actual a la espera de la publicación de los datos del satélite Planck el próximo 21 de marzo de 2013. Destaca la “tensión” entre los resultados de ACT y SPT.

Szymon Manecki (VirginiaTech / Borexino Collaboration), “Precision Measurement of the Beryllium-7 nu’s with the Borexino Detector,” Moriond EW, 5 Mar 2013  [slides], nos ha presentado los primeros resultados sobre la oscilación anual en el flujo de neutrinos detectados usando Be-7 en este detector (situado en Gran Sasso, Italia). Super-Kamiokande y SNO ya observaron hace años esta oscilación anual, pero en B-8. También ha presentado el resultado de la medida de la velocidad de los neutrinos múonicos generados en CNGS (los que OPERA anunció por error como superlumínicos).

Como nos cuenta T. R. Hampson (Univ. Bristol / LHCb collaboration), “Charm mixing and CP violation in LHCb,” Moriond EW, 2 Mar 2013 [slides], LHCb no ha encontrado evidencia de la existencia de neutrinos de Majorana en la desintegración de las mesones D⁺ tras estudiar 1 /fb de datos de colisiones protón-protón en el LHC a 7 TeV c.m. de 2011; aunque no se presentan análisis de los 2 /fb a 8 TeV c.m. obtenidos en 2012, el nuevo límite es uno dos órdenes de magnitud mejor que el último publicado.

LHCb tampoco ha observado corrientes neutras que cambian el sabor (FCNC) en la desintegración de mesones es D⁺ (también tras estudiar 1 /fb de colisiones a 7 TeV c.m.), como nos ha contado T. R. Hampson [slides]. Aún así, el límite todavía está un orden de magnitud por encima de las predicciones del modelo estándar, lo que no quita que vaya en contra de ciertas teorías más allá del modelo estándar (muchas de las cuales predicen un reforzamiento de las FCNC).

La búsqueda de la materia oscura en Moriond, como ya es habitual, no presenta ningún resultado relevante. Ahora mismo todo está pendiente de lo que pueda ofrecer AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) en los próximos días, pero Bruna Bertucci (Univ. Perugia / INFN), “AMS-02: Status & (future) results,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides], no ha soltado prenda en su charla. Se han recogiod unos 30 mil millones de sucesos desde el 19 de mayo de 2011 y próximamente se publicará un artículo sobre la fracción de positrones observada con energía hasta 350 GeV, lo que refutará o confirmará la anomalía observada por PAMELA (un exceso de positrones para energías entre 20 y 100 GeV). Esta anomalía no tiene una explicación aún (si posible origen en la materia oscura encuentra el problema de la ausencia de un exceso en el flujo de protones).

Fermi LAT tampoco ha observado ninguna señal de la materia oscura, salvo la famosa línea espectral de rayos gamma a unos 130 GeV en la dirección del centro de la Vía Láctea. La señal es muy clara, alcanzando 4,0 sigmas sobre el fondo, como nos cuenta Gabrijela Zaharijas (ICTP / INFN, Trieste), “Searches for WIMP dark matter with the Fermi LAT for the Fermi-LAT collaboration,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides], quien además nos indica que una calibración de los calorímetros ha desplazado la línea hasta los 135 GeV. Todavía no se conoce la causa de dicha anomalía (también observada en el limbo de la Tierra). Nos comenta la posible explicación como materia oscura Alejandro Ibarra (Technische Universität München), “Fermi-LAT limits on mass degenerate dark matter scenarios,” Moriond EW, 04 Mar 2013 [slides]. La línea espectral observada por Fermi LAT podría tener su origen en la desintegración de una partícula de materia oscura con masa 149 ± 4 GeV y <σv> = (5,7 ± 1,4) × 10⁻²⁷ cm³/s, para una señal de 4,3 σ (aunque sólo 3,1 σ teniendo en cuenta el efecto LEE). Hay que tener cuidado con este valor, pues Ibarra no ha actualizado sus datos sobre la línea y también apunta como explicación alternativa una partícula con masa de 130 GeV y <σv> =1,27 × 10⁻²⁷ cm³/s, para una señal de 4,6 σ (3,3 σ con LEE).

Otros experimentos han actualizado sus resultados como Daya Bay [slides], OPERA [slides], T2K [slides], EXO-200 [slides], etc., pero sin ninguna novedad relevante. En resumen, habrá que esperar a mañana, a ver qué novedades sobre el Higgs nos quieren contar.

La búsqueda del bosón de Higgs en el canal difotónico

El 4 de julio de 2012 se anunció el descubrimiento de un nuevo bosón “tipo Higgs” que se desintegra en dos fotones (H→γγ) más de lo esperado para el bosón de Higgs del modelo estándar (SM). El exceso en el canal γγ observado por el experimento ATLAS del LHC fue de μ=1,9 ± 0,5 (para el Higgs SM debe ser μ=1), exceso que permitió su descubrimiento temprano con 4,5 σ sólo en este canal para una masa de 126,5 GeV/c² (en ausencia de este exceso se hubiera observado sólo a 2,4 σ para dicha masa, por lo que sin el exceso no se hubiera confirmado el descubrimiento); por comparar, en CMS el exceso fue de μ=1,56 ± 0,43 con una evidencia de 4,1 σ para un Higgs con masa de 125 GeV/c². A día de hoy (tras analizar 4,8 /fb de colisiones a 7 TeV c.m. y 13 /fb a 8 TeV c.m.) el exceso en ATLAS es de μ=1,80 + 0,42 − ­0,36, permitiendo un descubrimiento del bosón “tipo Higgs” con 6,1 σ para una masa de 126,6 ± 0,3 (stat) ± 0,7 (syst) GeV/c²; el nuevo dato para CMS aún no ha sido publicado. La semana que viene se publicará el resultado tras el análisis de todas las colisiones de 2012 (unos 20 /fb a 8 TeV c.m.), lo que implica un 75% más de colisiones en el canal γγ. Los rumores apuntan a que el exceso no ha desaparecido, aunque ha decrecido un poco, pero ya se sabe que los rumores son solo eso, rumores. Me ha gustado la discusión del análisis en ATLAS del canal difotónico presentada por Maud Schwoerer (ATLAS Collaboration), “Recent results on Higgs to γγ at ATLAS,” Les Rencontres de Physique de La Vallée d’Aoste, 27 Feb 2013 [slides].

La búsqueda de neutrinos de Majorana en las desintegraciones de mesones B en LHCb

La semana que viene empiezan las conferencias de Moriond (EW y QCD), cuyo tema estrella será el bosón de Higgs, pero también hay otros resultados muy interesantes que muchos esperamos. Todavía no se sabe si los neutrinos son partículas tipo Majorana (no hay diferencia entre los neutrinos y los antineutrinos) o tipo Dirac (neutrinos y antineutrinos son partículas diferentes). Para estudiarlo se puede utilizar la doble desintegración beta sin neutrinos, parte derecha de la figura. En los experimentos del LHC en el CERN, en especial en LHCb, también se puede utilizar la desintegración de mesones B⁻, en la parte izquierda de la figura se presenta su diagrama de Feynman para la desintegración  B⁻ → D^(*)+ μ⁻ μ⁻, donde los neutrinos de Majorana (N) que se aniquilan mutuamente son virtuales, por lo que este diagrama es independiente de la masa del neutrino; hay otras desintegraciones de mesones B⁻, pero requieren que la masa del neutrino de Majorana N sea grande. Belle y LHCb han buscado este tipo de desintegración y aún no la han observado. En el caso de LHCb se buscó en 0,37 /fb de datos de colisiones de 2011 (LHCb Collaboration, “Searches for Majorana neutrinos in B⁻ decays,” Physical Review D 85: 112004, 2012 [arXiv:1201.5600]). LHCb acumuló 1,1/fb de colisiones a 7 TeV c.m. en 2011 y nada menos que 2,08 /fb a 8 TeV c.m. en 2012, es decir, dispone de unos 10 veces más datos que los utilizados en el artículo publicado Phys. Rev. D. Muchos esperamos que en Moriond se publique una actualización de esta búsqueda de neutrinos de Majorana en LHCb (al menos con los 1,1 /fb de 2011). Sinceramente, creo que será uno de los grandes resultados de la conferencia. Otros modos de desintegración “raros” que podrían ser actualizados en Moriond son discutidos por Hugo Ruiz, “Latest rare decay results from LHCb,” Les Rencontres de Physique de la Vallée d’Aoste, 27 Feb 2013 [slides].

La esperanza (de encontrar la supersimetría) es lo último que se pierde

Dimitri V. Nanopoulos, físico teórico experto en supersimetría, lleva diez años prediciendo la masa del gluino (la (super)compañera del gluón). Conforme los experimentos descartan la masa que ha predicho, sube su predicción un poquito y vuelve a publicar una nueva estimación basada en más información que la anterior, con lo que, a priori, parece mucho mejor. Su última estimación es M½ = 765 ± 85 GeV. En su opinión, todos las búsquedas realizadas en el LHC hasta el momento son compatibles con este resultado. En las próximas semanas se publicarán en Moriond nuevas estimaciones experimentales (que casi seguro descartarán su predicción pues ya hay cierta evidencia que apunta a una masa M½ > 1200 GeV). No sé lo que ofrecerán los nuevos datos (tras el análisis de todas las colisiones de 2012), pero lo que es seguro es que Nanopoulos no perderá la esperanza y publicará nuevas estimaciones “optimistas.” Hasta que en 2015 no se publiquen los resultados de las primeras colisiones a 13 TeV c.m. en el LHC no se podrá descartar una masa  M½ > 2000 GeV. Los interesados en los detalles (no muy técnicos) disfrutarán de Tianjun Li, James A. Maxin, Dimitri V. Nanopoulos, Joel W. Walker, “Correlated Event Excesses in LHC SUSY Searches at 7 & 8 TeV: New Physics or Conspiring Noise?,” arXiv:1302.6579, 26 Feb 2013. Más información crítica sobre este tema en Peter Woit, “The State of SUSY,” Not Even Wrong, Feb 27, 2013.

El centro de procesado de datos del CERN supera los 100 petabytes (75 PB en los últimos 3 años)

Los informáticos del CERN han anunciado hoy que su Centro de Datos (CERN Data Centre) ha superado los 100 petabytes (PB) de datos físicos almacenados en los últimos 20 años, de los que 75 PB corresponden a datos del LHC (Large Hadron Collider) obtenidos en los últimos 3 años. ¿Cuánto son 100 PB de datos? Cien millones de gigabytes (GB), más o menos unos 700 años de vídeo a calidad full HD, o unos 21 millones de DVD (cada uno de 4,7 GB); como un DVD tiene un grosor de 1,2 mm, apilados uno encima de otro (sin caja) formarían una torre de 25,5 km de altura. En el CERN, unos 88 PB están almacenados en cinta (sistema CASTOR, por CERN Advanced Storage system), aproximadamente 52 mil cintas de capacidades unitarias entre 1 y 5,5 terabytes (TB); el resto (unos 13 PB) están almacenados en disco duro (EOS Disk Pool System), para su acceso rápido por usuarios concurrentes (hay unos 17 mil discos conectados a 800 servidores de disco). Todo el sistema de almacenamiento está robotizado y distribuido entre dos edificios (se cuenta con 52 mil cintas con una capacidad cada una entre 1 y 5,5 terabytes). Más información en Cian O’Luanaigh, “CERN Data Centre passes 100 petabytes,” CERN News, 14 Feb 2013, y en Ashley WennersHerron, Kelly Izlar, “Achievement unlocked: 100 petabytes of data. Experiments at the Large Hadron Collider reached a milestone in data collection just before the accelerator’s last collisions of the next two years,” Symmetry Breaking, Feb. 13, 2013.

Ya han finalizado las colisiones protón-plomo en el LHC del CERN

Las colisiones protón-plomo en el LHC del CERN finalizaron ayer domingo, 10 de febrero, por la mañana, con el fill #3544. Como muestra esta figura se han acumulado 32 inb (inversos de nanobarn) de colisiones en ALICE, otras tantas en ATLAS y CMS, y unos 2 inb en LHCb. Ya no se pasará a modo colisiones (haces estables), pero se seguirán haciendo algunas pruebas técnicas.  El próximo miércoles se iniciará la primera parada larga LS1 (Long Shutdown 1) que durará casi dos años; si todo sale bien se reanudarán las colisiones en diciembre de 2014. Durante la parada LS1 se corregirán varios defectos en el diseño original del colisionador que han impedido alcanzar de forma segura la máxima energía (colisiones a 14 TeV c.m.); hay que recordar que tras el inicio de las colisiones en septiembre de 2008 el LHC sufrió un grave accidente debido a que saltó una conexión eléctrica que provocó un escape de refrigerante y una explosión que dañó un sector de la máquina; tras un año de reparación, se reanudaron las colisiones a finales de 2009 pero a mitad de energía (7 TeV c.m.), aunque en 2012 se logró incrementarla un poco (hasta 8 TeV c.m.). Durante LS1 también se realizará una fase de mantenimiento de la máquina que es independiente de la reparación a realizar y que estaba planificada desde su fase de diseño; se introducirán gran número de mejoras. Fuente de la figura de arriba y de la de abajo.

Habrá que esperar hasta Moriond (en marzo) para conocer los primeros resultados tras los análisis de las colisiones protón-plomo (p-Pb). Lo más interesante será la confirmación de la existencia de un estado de la materia llamado condensado cristalino de color (color-glass condensate), que parece la explicación más razonable a l el “ridge” observado en las colisiones Pb-Pb, p-Pb y p-p tanto por CMS como por ATLAS (en este blog puedes leer “ATLAS confirma la observación de CMS del “ridge” en las colisiones protón-plomo,” 21 dic. 2012; “Un fenómeno sin explicación observado en las colisiones de protón contra ión de plomo en CMS del LHC,” 24 oct. 2012).

Durante la parada LS1 se seguirán realizando análisis de colisiones para estudiar las propiedades del bosón de Higgs y la posible existencia de nueva física más allá del modelo estándar. Tras Moriond (marzo), donde ATLAS y CMS publicarán de forma separada los análisis del Higgs con todos los datos de 2012, se iniciará una fase de combinación de eventos de ambas colaboraciones, que podría permitir a finales del verano la publicación de análisis combinados con el doble de colisiones. Los próximos meses, aún sin nuevas colisiones, prometen ser apasionantes para la física de partículas en el LHC.

LHCb confirma la medida de CDF para la masa del barión Omega-b menos

CDF y DZero, los dos experimentos del Tevatrón (Fermilab), difieren entre sí en varios resultados. Destaca la medida de la masa del barión Omega-b menos (bss), formado por un quark bottom y dos extraños. CDF midió una masa de 6054,4 ± 6,8 ± 0,9 MeV/c² y DZero una de 6165 ± 10 ± 13 MeV/c². LHCb del LHC (CERN) ha observado 19 ± 5 eventos y ha medido 6046 ± 2,2 ± 0,6 MeV/c², que confirma el resultado de CDF, pero se diferencia del de DZero en 7 sigmas. ¿Por qué DZero midió una masa con tanto error? La señal que observó (18 ± 5 eventos) no parece que corresponda a una fluctuación estadística, por lo que debe haber algún error sistemático responsable de que la señal se desplazara unos 115 MeV/c² hacia arriba. La nueva medida se ha publicado en LHCb collaboration, “Measurement of the Λ_b^0, Ξ_b^- and Ω_b^- baryon masses,” arXiv:1302.1072, 5 Feb 2013; las anteriores son DZero Collaboration, “Observation of the doubly strange b baryon Omega_b-,” Phys. Rev. Lett. 101: 232002, 2008 [arXiv:0808.4142], y CDF Collaboration, “Observation of the Omega_b^- and Measurement of the Properties of the Xi_b^- and Omega_b^-,” Phys. Rev. D 80: 072003, 2009 [arXiv:0905.3123].

Esta figura y más información en Tommaso Dorigo, “What’s The Omega_b Mass? LHCb Confirms CDF, DZERO Way Off,” AQDS, Feb 7, 2013. 

Se inician las colisiones protón-plomo en el LHC del CERN

Ya se han iniciado las colisiones protón-plomo (pPb) en el LHC del CERN, que durarán cuatro semanas. En estas colisiones se utiliza el núcleo del ión de plomo 208, que tiene 208 nucleones (82 protones y 126 neutrones). En las colisiones protón-protón, SPS inyecta en el LHC protones con una energía de 0,45 TeV que son acelerados hasta los 4 TeV (en 2012) para lograr colisiones a 8 TeV c.m. (por nucleón). Los iones de plomo que inyecta SPS tienen una energía total de 36,9 TeV (0,18 TeV por nucleón) y son acelerados hasta 328 TeV (1,58 TeV por nucleón). Las colisiones protón-plomo se producen a 5 TeV por nucleón en el centro masas. La frecuencia de cruce de haces en las colisiones protón-protón es de 20 MHz, pero en las protón-plomo se reduce a 2 MHz (en las plomo-plomo solo se alcanzan los 4 kHz); entre los dos millones de sucesos por segundo solo unos 1000 serán grabados en disco para su posterior análisis.

La figura que abre esta entrada muestra un suceso pPb del pasado viernes 18 de enero observado en CMS (las colisiones se iniciaron el día 17 en fase de pruebas, aunque hasta el 20 a las 15:08 no se logró entrar en modo colisiones pPb de forma estable y sostenida). Los más curiosos se preguntarán por qué no se observan trayectorias (normalmente dibujadas en color naranja) en la parte central del suceso (círculo central en la parte izquierda de la figura y cilindro en la parte derecha). La razón es que el detector interno (utilizado para el seguimiento de la trayectoria de las partículas cargadas) ha sido desactivado. En la figura, las barras de histograma corresponden a la energía depositada en las colisiones en los calorímetros electromagnéticos (en color rojo) y hadrónicos (en color azul); te recuerdo que los primeros detectan electrones, positrones y fotones, y que los segundos detectan protones, neutrones y piones). En dicha figura se observan claramente dos chorros producidos en la colisión formados por múltiples partículas, tanto leptones como hadrones.

Más información en Achintya Rao, “Colliding different particle species: the LHC’s proton-lead run,” CMS News, 18 Jan 2013; Cian O’Luanaigh, “Protons smash lead ions in first LHC collisions of 2013,” CERN News, 21 Jan 2013; Signe Brewster, “First proton-lead collision test at the LHC successful,” Symmetry Breaking, Sep 14, 2012; Ashley WennersHerron, “A bullet through an apple. Physicists have begun the first full run of proton-lead collisions in the Large Hadron Collider to learn more about the beginning of our universe,” Symmetry Breaking, Jan 21, 2013.

Cuántos bosones de Higgs se han producido en el LHC del CERN

¿Cuántas colisiones se han producido en el LHC entre 2010 y 2012? Unos 1,8 mil billones. ¿Cuántos bosones de Higgs se han producido? Durante 2012 se ha producido un Higgs en el canal H→γγ cada 50 segundos y uno en el canal H→ZZ→4ℓ cada 14 horas (suponiendo una luminosidad instantánea de 7×10³³ /cm²/s). Obviamente, sólo unos pocos se encuentran en los sucesos seleccionados por los algoritmos de disparo (trigger). Se estima que en los datos en disco hay sólo unos 400 Higgs por experimento (unos 300 en el canal H→γγ, unos 10 en el canal H→ZZ→4ℓ, unos 60 tipo H→WW→2ℓ2ν, etc.). Podemos comparar este número con los bosones W, Z y quarks top seleccionados entre los mismos datos, en concreto, unos 100 millones, 10 millones y 0,4 millones, respectivamente. Nos los ha contado Eilam Gross, “Hunting the Higgs,” Higgs Symposium, Edinburgh, Jan. 2013 [slides].

Nota dominical: La historia de la búsqueda del bosón de Higgs

¿Cuándo empezó la búsqueda del bosón de Higgs? A veces se dice que empezó en 1964, otras que tras la “Revolución de Noviembre” en 1974, pero antes del descubrimiento de los bosones Z y W en 1983 era imposible buscar el Higgs. La búsqueda empezó en 1989 en el colisionador electrón-positrón LEP (Large Electron-Positron collider), el antecesor del LHC en el CERN. El primer artículo con resultados de exclusión para el Higgs está fechado el 1 de diciembre de 1989 y fue publicado por la Colaboración ALEPH (Apparatus for LEP PHysics) en Physics Letters B el 15 de febrero de 1990 [1]. El canal de búsqueda utilizado era la desintegración  Z→Z*H, es decir, la desintegración de bosones Z en hadrones (sobre todo pares bottom-antibottom). En este primer artículo, tras analizar 11.500 bosones Z se excluyó el rango de masas para el Higgs desde 32 MeV/c² hasta 15 GeV/c² al 95% C.L. Un segundo artículo [2], enviado el 31 de enero de 1990, utilizando 25.000 sucesos del mismo tipo, excluyó también el rango entre 11 y 24 GeV/c² al 95% C.L.

Quarks, gluones y el bosón de Higgs en la revista Physics Education

Suceso de ATLAS candidato a un Higgs que se desintegra en dos bosones Z que decaen en cuatro leptones (un par electrón-positrón en verde y un par muón-antimuón en rojo).

El breve artículo de K. Erik Johansson (Univ. Estocolmo, Suecia), “Exploring quarks, gluons and the Higgs boson,” Physics Education 48: 96-104, 2013, incluye como información suplementaria una serie de vídeos sobre colisiones protón-protón muy interesantes. Algunos están en youtube, os dejo tres de ellos (todos empiezan igual y como a la mitad cambia el final). También recomiendo el artículo de K. E. Johansson, P. M. Watkins, “Exploring the standard model of particles,” Physics Education 48: 105-115, 2013.