Francis en Trending Ciencia: Asuntos de familia del Higgs

Mi segundo podcast de la segunda temporada de Trending Ciencia lo puedes escuchar siguiendo este enlace, trata sobre el Higgs y su familia. No, no se trata de prensa rosa sobre el matrimonio de Peter Higgs, futuro ganador del Premio Nobel de Física de 2013. Si el tema te interesa, este podcast no resolverá tus dudas.

Todas las partículas del modelo estándar vienen en familias. Hay tres familias de leptones y tres familias de quarks. Hay una familia de cuatro bosones electrodébiles (incluyendo entre ellos el fotón) y una familia de ocho gluones. ¿Por qué el bosón de Higgs tiene que estar más solo que la una? Muchos físicos téoricos han propuesto modelos que incluyen toda una familia de bosones de Higgs. El modelo estándar sólo ha encontrado un bosón, el de menor masa en la familia, pero nada impide que existen otros miembros de mayor masa. Permíteme recordar estas ideas.

Más información en, por ejemplo, P. M. Ferreira, Rui Santos, «2HDM benchmarking,» PDF, Jun 18, 2013, Simon Köhlmann (on behalf of ATLAS and CMS), «Searches for Higgs in 2HDM at the LHC,» Workshop on Higgs and Beyond, Tohoku University, Sendai, Japan, 5th–9th, Jun, 2013 [slides].

Francis en Trending Ciencia: El Higgs invisible

Hoy se inicia la segunda temporada de Trending Ciencia. En este enlace puedes escuchar mi primer podcast sobre Física, que trata sobre el Higgs invisible. El 8 de octubre sabremos quién recibirá el Premio Nobel de Física de 2013. Bueno, en realidad ya lo sabemos, todas las apuestas apuntan a que lo recibirán el escocés Peter Higgs y el belga François Englert, que ya recibieron junto al CERN el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica de 2013. Por ello voy a dedicar mis primeros podcasts sobre Física para la nueva temporada de Trending Ciencia a hablar de diferentes aspectos de la física del bosón de Higgs.

Más información en Tommaso Dorigo, «Invisible Higgs Not Seen!,» AQDS, Sep 4, 2013; el artículo más reciente sobre la búsqueda del Higgs invisible es The CMS Collaboration, «Search for invisible Higgs decays in the VBF channel,» CMS PAS HIG-13-013, Aug 30, 2013. Más información técnica en las charlas de Monoranjan Guchait, «Looking for invisible Higgs signal at the LHC,» [pdf slides], y P. S. Bhupal Dev, «Invisible Higgs Decay to Light Sneutrinos,» [pdf slides], ambas en la 21st Int. Conf. on Supersymmetry and Unification of Fundamental Interactions (SUSY13), ICTP, Trieste, 26-31st August, 2013.

Reseña sabatina: “Odisea en el zeptoespacio” de Gian Francesco Giudice

Tras leer la reseña de Tommaso Dorigo, «A Zeptospace Odyssey – Gian Giudice’s Brilliant New Book,» AQDS, Jun 12, 2010, me costó varios meses, pero logré conseguir este estupendo libro sobre física de partículas en el LHC del CERN. Preparé un borrador de una reseña, pero no apareció en este blog (muchos de mis borradores corren la misma suerte). En aquel momento pensé que estaría muy bien que este libro fuera traducido al español, pero que eso nunca ocurriría. Nadie estaba interesado entonces en la física de partículas. Sin embargo, los neutrinos superlumínicos de septiembre de 2011 y el descubrimiento del Higgs en julio de 2012 han generado tal revuelo mediático que la física de partículas ya forma parte de los temas imprescindibles en la divulgación en español. Y como tal, la traducción de este libro era una necesidad. Luis Álvarez-Gaumé y Juan José Gómez Cadenas han luchado contra viento y marea para ello. Al final el libro ha visto la luz gracias a la plataforma de divulgación JotDown. Si te gusta la física de partículas, no puedes dejar de leer a Gian F. Giudice, «Odisea en el zeptoespacio,» JotDown Books, 2013.

La escala de energía de la supersimetría más allá del alcance del LHC

Recordar es fácil para los viejos, olvidar es fácil para los jóvenes. A principios de los 1990 se pensaba que había una plétora de partículas supersimétricas con una masa inferior a la masa del bosón Z que resolvían de forma natural el problema de la jerarquía. Gracias a LEP sabemos que no es así. A principios de los 2010 muchos físicos pensaron que esas partículas tenían una masa al alcance del LHC, pero las colisiones a 8 TeV c.m. del año 2012 nos han mostrado que no es así. Sólo los más optimistas esperan una plétora de partículas supersimétricas al alcance del LHC con colisiones a 14 TeV c.m. aunque aún no tengamos ningún indicio. Los más realistas pensamos que a lo sumo cabe esperar una o dos partículas nuevas. ¿Por qué la supersimetría tiene que resolver el problema de la jerarquía? ¿No es más razonable que resuelva el problema de la inestabilidad del vacío del campo de Higgs? En dicho caso no podemos esperar que la escala de la supersimetría sea muy inferior a diez millones de TeV, un millón de veces más energía que la que se podrá alcanzar con el LHC. Nos lo cuenta, como no, Luis Ibáñez (Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid), «The Scale of SUSY Breaking, the Higgs Mass and String Theory,» SUSY 2013, ICTP, Trieste, Aug 28, 2013 [slides pdf]. Algunas de las figuras de esta entrada están extraídas de Savas Dimopoulos (Stanford University), «States of BSM Theorists after LHC 8,» SUSY 2013, ICTP, Trieste, Aug 28, 2013 [slides pdf].

El campo de Higgs, el inflatón, la energía oscura y los monopolos magnéticos

Para algunos el descubrimiento del bosón de Higgs ha sido un jarro de agua fría, para otros una diversión sin límite. Como es una partícula escalar (de espín cero) y se han propuesto campos escalares como solución a muchos de los problemas actuales (energía oscura, materia oscura, etc.), extender la física del campo de Higgs para que se comporte en cierto régimen como uno de esos campos es fácil y además se publica fácil en muchas revistas. Por ello, muchos medios publican noticias que afirman que el bosón de Higgs puede explicar la energía oscura, la materia oscura, la inflación cósmica, etc. Hay que tener cuidado con estas noticias. El bosón de Higgs está hasta en la sopa, pero se trata de ideas especulativas que extienden la física del campo de Higgs más allá de lo que está demostrado y los autores de estos trabajos no estudian todas las consecuencias de sus teorías, por lo que en muchos casos contradicen la física conocida (al centrarse en explicar cierto fenómeno, olvidan que su idea tiene consecuencias en otros fenómenos en apariencia alejados). Permíteme poner unos ejemplos de actualidad.

Qué significa nueva física más allá del modelo estándar

El modelo estándar (SM) nació en 1973 con dos generaciones de fermiones (SM2), la segunda aún incompleta (el quark charm se descubrió en 1974). La tercera generación de partículas (SM3) fue física más allá del modelo estándar, en su momento (el quark botttom y el leptón tau se descubrieron en 1977, el quark top en 1995 y el neutrino tau en 2000), pero hoy en día se asume que el modelo estándar tiene tres generaciones. ¿Será nueva física más allá del modelo estándar el descubrimiento de una cuarta generación de fermiones? En mi opinión, el modelo SM4 será llamado así durante pocos años y acabará volviendo a ser llamado SM, a secas.

Sobre los primeros indicios de «nueva física» en los mesones B observados por LHCb

La noticia «Primeros indicios experimentales de una nueva física más allá del modelo estándar,» Agencia SINC, 31 Jul 2013, ha colmado muchos medios. «Físicos de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) y del CNRS francés han predicho desviaciones en la probabilidad de una de las desintegraciones del mesón B que han sido detectadas en el acelerador LHC del CERN. Su confirmación será la primera prueba directa de la existencia de la «nueva física» [más allá del] modelo estándar de las partículas.» La predicción de Joaquim Matias y Javier Virto de la UAB, y Sébastien Descotes-Genon (CNRS / Université Paris-Sud) «ha sido confirmada el 19 de julio pasado en la conferencia internacional de física de partículas EPS 2013 de Estocolmo (Suecia); los resultados del análisis de LHCb apuntan a una desviación respecto a la predicción del modelo estándar de 4,5 sigmas.» Se han observado varias «desviaciones que muestran un patrón coherente que permite identificar su origen en una única fuente. Hay que ser prudentes, porque serán necesarios más estudios teóricos y más medidas experimentales para confirmarlo. Uno de los modelos de nueva física que podría explicar estos resultados sería el que postula la existencia de una nueva partícula llamada Zprima, pero podría haber muchos otros modelos compatibles.»

Lo primero, las fuentes. El artículo teórico es Sebastien Descotes-Genon, Joaquim Matias, Javier Virto, «Understanding the B→K*μ+μ- anomaly,» arXiv:1307.5683; la charla que presenta el nuevo resultado es Nicola Serra (LHCb collab.), «Studies of electroweak penguin transitions of b→sμμ,» EPS-HEP Conference, Stockholm, July 2013 [slides]; discute el resultado el propio Joaquim Matias, «Optimizing the basis of B→K* l+l- observables and understanding its tensions,» EPS-HEP Conference, Stockholm, July 2013 [slides]. Un poco de crítica en la blogosfera en Tommaso Dorigo, «A four-sigma evidence of new physics in rare B decays found by LHCb, and its interpretation,» A Quantum Diaries Survivor, July 24, 2013, y en Lubos Motl, «LHCb: 3- or 4-sigma excess of B-mesons’ muon decays,» The Reference Frame, Jul 25, 2013.

La búsqueda del monopolo electrodébil de Cho-Maison predicho por el modelo estándar

En la electrodinámica cuántica (QED) el grupo U(1)_em puede ser trivial, igual a SU(1), o no trivial, en cuyo caso las ecuaciones de Maxwell deben incluir un monopolo magnético de Dirac. En la teoría electrodébil (EW) el grupo SU(2)×U(1)_Y se rompe en U(1)_em gracias al mecanismo de Higgs; el origen de este U(1)_em es una combinación del grupo U(1)_Y, que puede ser trivial, y del subgrupo U(1) del grupo SU(2), que no es trivial y contiene un monopolo de ‘t Hooft-Polyakov. Por tanto, el grupo U(1)_em tras la rotura de simetría electrodébil debe ser no trivial y el modelo estándar debe presentar un monopolo magnético electrodébil, llamado monopolo de Cho-Maison, que es una combinación de los monopolos de Dirac y de ‘t Hooft-Polyakov. En muchos libros se afirma, quizás a la ligera, que la teoría EW no predice ningún monopolo electrodébil porque en la rotura de simetría se puede hacer que U(1)_em sea igual a U(1)_Y, sin contenido alguno del subgrupo U(1) de SU(2); pero esta elección no es «natural» y no está justificada por ninguna razón física o matemática (salvo eliminar de forma explícita la existencia del monopolo). El monopolo electrodébil de Cho-Maison tiene una carga magnética (4π)/e, en lugar de (2π)/e como el monopolo de Dirac, porque su origen es el subgrupo U(1) de SU(2) que tiene periodo 4π en lugar de 2π. Usando una masa de 125 GeV para el bosón de Higgs, se estima que la masa del monopolo de Cho-Maison es de 3,85 TeV, sin tener en cuenta las correcciones cuánticas, que podrían subir esta masa hasta 6,72 TeV. La búsqueda de este monopolo con masa entre 4 y 7 TeV es la tarea emprendida por el experimento MoEDAL en el LHC que empezará a tomar datos en 2015 y se instalará junto a LHCb. Nos lo cuentan Y. M. Cho, J. L. Pinfold, «Electroweak Monopole Production at the LHC – a Snowmass White Paper,» arXiv:1307.8390, Subm. 31 Jul 2013.

Cómo ilustrará LHC los nuevos resultados sobre el bosón de Higgs

Una vez descubierto el bosón de Higgs hay que estudiar todas sus propiedades. Los primeros estudios se han centrado en sus modos (canales y subcanales) de desintegración, pero ahora hay que hilar más fino. La nueva recomendación del LHC es ilustrar la «fuerza» (strength) de la señal comparada con la predicción del modelo estándar, llamada μ, haciendo referencia no sólo al canal (o subcanal) de desintegración, sino también al modo de producción del Higgs. Por ello se recomienda utilizar μ(X,Y), donde X es el modo de producción e Y es el canal de desintegración. Los valores para X son ggF para la fusión de gluones (gg→H), VBF para la fusión de bosones vectoriales (WW→H y ZZ→H), y ZH, WH, o ttH para la producción asociada a bosones Z, W y pares de quarks top. Los valores para Y son los canales de desintegración conocidos por todos (γγ, WW, ZZ, bbar, Zγ, …). Nos lo cuentan en F. Boudjema et al., «On the presentation of the LHC Higgs Results,» arXiv:1307.5865, Subm. 22 Jul 2013 (artículo resultado de la discusión en los workshops «Likelihoods for the LHC Searches», 21-23 January 2013 at CERN, «Implications of the 125 GeV Higgs Boson», 18-22 March 2013 at LPSC Grenoble, and from the 2013 Les Houches «Physics at TeV Colliders» workshop).

La importancia de la teoría en el descubrimiento del bosón de Higgs

Mucha gente olvida la enorme importancia de los cálculos teóricos sobre las desintegraciones del bosón de Higgs del modelo estándar en el descubrimiento temprano del Higgs en el LHC en julio de 2012. Estos cálculos han sido realizados por los físicos especialistas en fenomenología del modelo estándar. Gracias a que la sección eficaz (o probabilidad) de desintegración del Higgs ha crecido conforme se han obtenido mejores predicciones teóricas se pudo realizar el descubrimiento (alcanzar 5 sigmas) hace un año. Puede parecer trivial pasar de NLO a NNLO, pero ha requerido un gran esfuerzo; de hecho, aún no se ha calculado el siguiente orden NNNLO, aunque se está trabajando en ello. Esta figura muestra el límite de exclusión obtenido por el Tevatrón Run II en el Fermilab (línea negra continua) comparado con las predicciones del modelo estándar (SM=1) para el primer orden (LO), segundo orden (NLO) y tercer orden (NNLO). Para el LHC los resultados teóricos son similares. Todo el mundo espera que los cálculos NNNLO estén disponibles antes de 2015, luego antes de que se acumulen nuevas colisiones en el LHC se podrá mejorar nuestro conocimiento sobre el Higgs utilizando las colisiones de 2011 y 2012. Nos lo contó Robert Harlander (Bergische Universität Wuppertal), «Discovery of a Higgs boson – The role of theory,» slides LHCP’13, May 13, 2013, y nos lo recuerda Christophe Grojean (ICREA@IFAE/Barcelona), «The scalar sector of the SM and beyond,» slides HEP-EPS’13, July 22, 2013.