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.

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.

Tras dos años de análisis se descubre el secreto de la anomalía W+jj en los datos de CDF del Tevatrón (Fermilab)

Se han ofrecido muchas explicaciones para la anomalía W+jj observada en los datos del experimento CDF del Tevatrón en el Fermilab, cerca de Chicago. El otro experimento del Tevatrón, DZero no observó dicha anomalía; CMS y ATLAS del LHC en el CERN tampoco la observaron. Por tanto, la causa debe ser un “error sistemático” en los análisis de este tipo de colisiones. Ha costado dos años de intenso trabajo, basado en tres posibles hipótesis, hasta que se ha descubierto la razón. La técnica de Monte Carlo utilizada para el ajuste de los disparadores (triggers), utilizados en la identificación de los chorros, confunde cierto tipo de ruido de fondo con “supuestos” leptones (fake leptons), sobre todo electrones; reajustando la técnica de selección de eventos la anomalía W+jj desaparece y los datos corresponden a las predicciones del modelo estándar. Dos años de esfuerzos que han valido la pena. Había que encontrar el origen de este “error sistemático” pues podría afectar a otros análisis. ¿Afecta este cambio a otros análisis, como los del quark top o los del Higgs? El efecto es muy pequeño, despreciable en la práctica; así que no será necesario corregir los resultados publicados debido a la identificación errónea de los “supuestos” leptones. Nos cuenta la historia con detalles técnicos M. Trovato (on behalf of the CDF collaboration), “Update on dijet mass spectrum in W + 2jets events,” Wine & Cheese Seminar, Fermilab, Feb 23, 2013. El artículo técnico todavía no ha sido publicado en ArXiv, pero ha sido enviado a Physical Review D.

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. 

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.

El estado actual de la resonancia Y(4140) en el espectro J/ψφ

Los hadrones exóticos son partículas compuestas de más de tres quarks, como los tetraquarks, estados ligados de dos mesones, o los pentaquarks, estados ligados de un mesón y un barión (“Qué pasó con… los pentaquarks,” 8 oct 2011). Para nombrar los hadrones exóticos se suelen usar las letras X, Y, y Z. El experimento CDF del Tevatrón, Fermilab, EEUU, observó en marzo de 2009 y confirmó en enero de 2011 a 5,0 sigmas una nueva resonancia en las desintegraciones B⁺ → J/ψ φ K⁺, llamada Y(4140), con desintegración Y(4140) → J/ψ φ. Se observaron solo 19 ± 6 (stat) ± 3 (syst) eventos de es tipo en 6,0 /fb (inversos de femtobarn) de colisiones protón-antiprotón a 1,96 TeV c.m.; la masa de la resonancia es m = 4143,4 ± 3,0 (stat) ± 0,6 (syst) MeV/c², aunque recibe el nombre Y(4140), y su anchura Γ = 15,3 ± 10,4 (stat) ± 2,5 (syst) MeV/c² (CDF Public Note; arXiv:1101.6058). Más aún, CDF también observó una segunda resonancia Y(4274) aunque solo con 3,1 sigmas, con masa m  = 4274,4 ± 8,4 (stat) MeV/c², y Γ = 32,3 ± 21,9 (stat) MeV/c². Por cierto, a veces se escribe X(4140) en lugar de Y(4140), pues su naturaleza exacta no es conocida.

La resonancia Y(4140) fue buscada sin éxito por Belle (C. P. Shen et al. (The Belle Collaboration), “Evidence for a New Resonance and Search for the Y(4140) in the γγ→ϕJ/ψ Process,” Phys. Rev. Lett. 104: 112004, 2010; arXiv:0912.2383). Sin embargo, Belle observó con 3,5 sigmas una “nueva” resonancia Y(4350), con masa m = 4350,6 ± 5,1 (stat) ± 0,7 (syst) MeV/c², y anchura Γ = 13 ± 18 (stat) ± 4 (syst) MeV/c². La ausencia de Y(4140) se observó con 2,7 sigmas.

También buscó sin éxito la resonancia Y(4140) el experimento LHCb del LHC (LHCb Collaboration, “Search for the X(4140) state in B+ to J/psi phi K+ decays,” Phys. Rev. D 85: 091103(R), 2012; arXiv:1202.5087). Solo se utilizando 0,37 /fb de colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. de 2011, obteniendo 2,4 sigmas de certeza en la hipótesis de que la resonancia Y(4140) no existe. Obviamente, habrá que esperar a nuevos análisis con las colisiones de 2012, que se publicarán en el verano/otoño de 2013.

Ha sido noticia en noviembre de 2012 que CMS del LHC ha observado a más de 5 sigmas dos resonancias: una compatible con Y(4140), con una masa m = 4148,2 ± 2,0 ± 5,2 MeV/c², y otra con una masa m = 4316,7 ± 3,0 ± 10,0 MeV/c². Se han utilizado 5,2 /fb de colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. obtenidas en el año 2011 (CMS, “Observation of structures in J/psi phi spectrum in exclusive B+ –> J/psi phi K+ decays at 7 TeV,” BPH-11-026, 16 Nov. 2012).

CDF y CMS han observado la resonancia Y(4140) a más de 5 sigmas, sin embargo, Belle y LHCb la han buscado y no la han encontrado. Además, CDF y CMS han observado otra resonancia cercana, pero cada uno a diferente energía. ¿Qué significa todo este puzzle? Por ahora, no se sabe. Habrá que esperar al verano/otoño de 2013, cuando se publique el análisis de CMS de estas resonancias utilizando todos los datos de colisiones de 2012 y los nuevos resultados de LHCb, e incluso de ATLAS. No en balde, el artículo de CMS bautiza a Y(4140) como “estructura” con objeto de no caer en la trampa de afirmar que se trata de un hadrón exótico. Son análisis muy complicados y los hadrones exóticos han ofrecido muchas falsas alarmas en la última década.

¿Qué puede ser la resonancia Y(4140)? Hay varias opciones, pero una bastante razonable es que sea un tetraquark, un estado ligado de cuatro quarks ccss, es decir, charm, anticharm, strange, y antistrange (Fl Stancu, “Can Y(4140) be a tetraquark?,” Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 37 : 075017, 2010). Hay otras posibilidades, pero no sé si merece la pena discutir este asunto en más detalle. Por ahora, lo único que podemos decir es que habrá que esperar al verano de 2013 para tener más información sobre la resonancia Y(4140) que aparece y desaparece como los ojos el Guadiana.

PS: Tomasz Skwarnicki (LHCb collaboration), “Exotic Meson Studies at LHCb,” Slides, June 1, 2012.

Todos los nuevos resultados sobre el bosón de Higgs presentados por CMS y ATLAS (LHC, CERN) en el HCP 2012, Kioto

El resultado más espectacular presentado hoy, en mi opinión, lo ha protagonizado CMS, que nos presenta un resultado combinado con 5,1 /fb a 7 TeV de 2011 más 12,2 /fb a 8 TeV de 2012 para el canal “estrella” H → ZZ. El resultado es un Higgs con una masa de 126,2 ± 0,6 (stat.) ± 0,2 (syst.) GeV/c² observado a 4,5 σ (valor que hay que comparar con el de este verano, solo 3,2 σ), con un cociente entre la señal observada y la señal esperada para el modelo estándar de μ = 0,8 ± 0,35, en completo acuerdo con el modelo estándar. Lo más interesante es la figura de abajo que muestra un análisis del espín y la paridad de la partícula observada; con 2,45 σ la señal de CMS corresponde una partícula escalar (espín 0+) y con solo 0,53 σ a una partícula pseudoescalar (espín 0-). Finalmente, se excluye cualquier otro Higgs con masas entre 113 y 116, y entre 129 y 720 GeV/c². Un gran resultado de CMS que nos cuenta  Alexey Drozdetskiy (CMS Collaboration), “A Search for the Standard Model Higgs Boson Decaying to ZZ at CMS,” HCP2012, Kyoto, 14 Nov 2012 [slides].

Nuevo resultado de LHCb sobre la desintegración Bs→μμ

Un mesón Bs está formado por un quark extraño (s) y un antiquark belleza o fondo (b), tiene una masa en reposo de 5.366,3 ± 0,6 GeV/c² y una vida media de solo 1,47 ps (billonésimas de segundo). La desintegración del mesón Bs en un par muón-antimuón es muy rara (poco probable); según el modelo estándar ocurre con probabilidad (3,54 ± 0,30) × 10^-9. Muchos modelos de física más allá del modelo estándar (como la supersimetría) predicen un incremento o un decremento en esta probabilidad. El experimento LHCb publica hoy la mejor medida de este valor, (3,2  ± 1,5) × 10^-9, en completo acuerdo con el modelo estándar, aunque solo ha alcanzado 3,5 sigmas o desviaciones estándares. Este resultado se ha obtenido tras combinar 1,0 /fb de colisiones a 7 TeV c.m. de 2011 y 1,1 /fb de colisiones a 8 TeV c.m. de 2012 (solo con estas últimas se obtienen 3,3 sigmas). Por tanto, una de las grandes noticias en física de partículas de 2013, tras analizar todas las colisiones de 2012, será alcanzar las 5 sigmas en la desintegración Bs→μμ. Este nuevo resultado de LHCb es importante porque en el verano de 2011 (EPS-HEP11) se publicó que CDF (Tevatrón) había observado un valor 5,6 veces mayor que la predicción del modelo estándar (que hizo soñar a unos pocos con la primera prueba de la supersimetría); sin embargo, ya entonces LHCb refutaba este resultado descartando un valor mayor de 3,7 veces la predicción del modelo estándar. Podemos afirmar con seguridad que el nuevo resultado publicado hoy mismo refuta de forma definitiva la desviación observada por CDF. El nuevo resultado lo ha presentado Johannes Albrecht (LHCb Collab.), “New results on the search for B(s)->mu+mu- from LHCb,” HCP2012, Kyoto, 12 Nov 2012. El artículo técnico con los detalles aparecerá en ArXiv mañana (LHCb collaboration,” First evidence of the Bs → µ+µ− decay,” LHCb-PAPER-2012-043, arXiv:1211.2674, Nov 12, 2012, submitted to arXiv & PRL). Mucha gente se ha hecho eco de este gran resultado en twitter y en blogs, como Matt Strassler, “First News from Kyoto Conference,” Of Particular Significance, Nov. 12, 2012.

Descanse en paz la cuarta generación de partículas

Se conocen tres generaciones de partículas en el modelo estándar (cuyos leptones cargados son el electrón, el muón y el leptón tau). Los datos sobre la partícula Z obtenidos por LEP indican que solo hay tres generaciones de neutrinos ligeros, pero una cuarta generación (SM4) podría existir si su neutrino tiene masa mayor que la mitad de la masa del Z. Como la cuarta generación influye en la física del bosón de Higgs, su descubrimiento aporta nueva información sobre ella. La señal de la desintegración de un Higgs en dos fotones, H→γγ, observada en el LHC (ATLAS+CMS) permite excluir al SM4 con más de 4 sigmas. Todos los datos actuales, LHC+Tevatron, permiten excluir la cuarta generación con 5,3 sigmas, incluso solo los datos del LHC permiten excluirlo con 4,8 sigmas. El Higgs mató a la cuarta generación de partículas. El artículo técnico con estos resultados es Otto Eberhardt, Geoffrey Herbert, Heiko Lacker, Alexander Lenz, Andreas Menzel, Ulrich Nierste, Martin Wiebusch, “Impact of a Higgs boson at a mass of 126 GeV on the standard model with three and four fermion generations,” arXiv:1209.1101, Subm. 5 Sep 2012.

PS (14 Dic. 2012): Este artículo ha vuelto a ser actualidad tras su publicación en Physical Review Letters y la portada en Menéame de Jose Manuel Nieves, “El Higgs ha hablado: sólo existen 12 partículas “materiales” en la Naturaleza,” ABC.es, 14 Dic. 2012.

Algunas figuras curiosas sobre la búsqueda del Higgs

Esta figura muestra la evolución, inverso de femtobarn a inverso de femtobarn, de las figuras de exclusión del Higgs en el canal H→WW en el detector CDF del Tevatrón, Fermilab, EEUU. Lo importante de estas figuras es que, aunque se observan excesos y defectos locales en diferentes regiones, no muestran  indicios sobre la existencia de un Higgs con una masa de 125-126 GeV/c². La razón es sencilla, la falta de sensibilidad, no hay suficientes colisiones en este canal para que el Tevatrón vea un Higgs con dicha masa. Tampoco es sensible a este canal la figura más reciente, con 9,7 /fb de datos, que muestro abajo; dicha figura excluye un Higgs entre 148 y 175 GeV/c² al 95% C.L. Me gusta esta figura porque nos muestra lo que nunca debemos olvidar a la hora de interpretar las figuras de exclusión: mientras la sensibilidad no sea suficiente, los excesos y defectos son casi con toda seguridad debidos a fluctuaciones estadísticas a favor o en contra. La figura de arriba está extraída de la charla de Massimo Casarsa (CDF), “Inclusive Search for Standard Model Higgs Boson Production in the WW Decay Channel Using the CDF II Detector,” ICHEP 2012, 7th July; la figura de abajo de la web de CDF, “CDF Search for Higgs to WW* Production using a Combined Matrix Element and Neural Network Technique.” Esta entrada es un guiño a un tuit de @riemannium sobre el reciente preprint CDF Collaboration, “Search for the Higgs boson in the all-hadronic final state using the full CDF data set,” arXiv:1208.6445, Subm. 31 Aug 2012 (su tuit empezaba con “Puzzling Hints of BSM physics?” y acaba con “Discrepancy is now 11 times the SM,” cuando en realidad los datos no son sensibles a un Higgs de 125 GeV/c², valor SM, sino a un valor 11 veces mayor; por tanto, no hay ningún tipo de discrepancia).

El canal WW es sensible a un Higgs en el LHC, como muestra la curva punteada que está por debajo de la unidad en el rango entre 120 y 130 GeV, por lo que el exceso que se observa puede ser achacado a la presencia de un Higgs; aunque como la sensibilidad está justo en el borde, habrá que esperar a los datos que se publiquen en diciembre para poder extraer información fiable en este canal sobre el Higgs.

Por cierto, la desintegración de un Higgs en dos bosones W, el canal di-W, se encuentra la misma dificultad que en el caso del canal di-Z, con una masa de unos 80 GeV, los W también tienen una vida media muy corta de unos 0,3 yoctosegundos (billonésimas de billonésima de segundo). El canal di-W es ideal para estudiar un Higgs con una masa alrededor de 160 GeV, pero para un Higgs de 125 GeV tenemos que utilizar el canal H→WW*, donde uno de los dos W es un W virtual. Una gran dificultad en este canal es que si entre sus productos de desintegración aparecen leptones cargados (fáciles de detectar) también tiene que haber neutrinos (que no se ven y se han de estimar mediante pérdidas de energía); por otro lado, cuando no hay leptones, desintegraciones en chorros hadrónicos, hay mucho ruido de fondo. Este canal, por tanto, es mucho más difícil de estudiar que el canal ”mágico” H→ZZ*→4 leptones (en el que no hay neutrinos).

La desintegración de un Higgs en dos bosones Z, el canal di-Z, dado que los bosones Z tienen una masa de unos 91 GeV, es ideal para observar un bosón de Higgs con una masa grande, mayor de unos 160 GeV; pero también puede ser utilizado para buscar un Higgs de 125 GeV cuando uno de los Z es una partícula virtual, denotado por Z*. Los bosones Z tienen una vida media muy corta, de solo 0,3 yoctosegundos (billonésimas de billonésima de segundo), por ello son imposibles de observar directamente y nos tenemos que conformar con observar sus productos de desintegración. La siguiente figura ilustra la sección eficaz (probabilidad de producción)  en función de la masa del Higgs para los subcanales más probables del canal H→ZZ.

Cada subcanal del canal H→ZZ depende de cómo se desintegren los Z. En la figura se ilustran tres: que cada Z se desintegre en un par de leptones cargados, H→ZZ→4l (4 leptones cargados), que uno de los Z se desintegre en un par de neutrinos, H→ZZ→2l2ν (2 leptones cargados y dos neutrinos), y que uno de los Z se desintegre en un par quark-antiquark, H→ZZ→2l2q (2 leptones cargados y dos quarks, que forman dos chorros hadrónicos); por supuesto hay más subcanales pero su probabilidad es menor y están fuera del alcance con las colisiones disponibles en 2012. El sub-canal con una señal más limpia (llamado por ello “golden channel”), porque es el fácil de estudiar en el LHC, es el menos probable, H→ZZ→4l, donde los cuatro leptones cargados pueden ser cuatro muones (H→ZZ→μμμμ), cuatro electrones (H→ZZ→eeee), y dos muones y dos electrones (H→ZZ→μμee). Este canal ha permitido el descubrimiento del Higgs.

Los sub-canales menos sensibles del canal di-Z se muestran en esta figura. El análisis de las colisiones del LHC se presentó en las charlas de Francesco Pandolfi (CMS), “Search for a SM Higgs Decaying to ZZ to l⁺l^-qq or l⁺l^-νν at CMS,” ICHEP 2012, 7th July, y Carl Gwilliam (ATLAS), “Search for the SM Higgs boson through the H → ZZ → ℓℓνν, ℓℓqq decay channels with the ATLAS detector,” ICHEP 2012, 7th July. Para un bosón de Higgs con una masa de 125 GeV estos sub-canales aportan muy poca información con las colisiones analizadas hasta ahora, por no decir nada de nada. Son canales útiles para una estudiar un Higgs de gran masa.

El método más rápido para determinar el espín del bosón de Higgs

Hay un método para saber si la partícula descubierta en el LHC el 4 de julio es una partícula de espín cero escalar (0+), pseudoescalar (0-), o si tiene espín dos (2+), que se basa en un método ya propuesto para las colisiones en LEP. Como no, John R. Ellis y varios colegas han rescatado este método basado en la distribución de la masa invariante en las colisiones que producen un Higgs y un bosón vectorial W o Z, es decir, las colisiones pp→ZH, y pp→WH. Utilizando simulaciones por ordenador en PYTHIA y Delphes, estos físicos han mostrado que las colisiones acumuladas a fecha del 4 de julio podrían ser suficientes para decidir esta importante cuestión. Como es obvio, todavía el método no ha sido aplicado a datos reales. Según este artículo teórico, los datos actuales en el LHC7+LHC8 podrían presentar mucho ruido, pero los datos recabados por el Tevatrón (combinando DZero y CDF) serían suficientes. Lo que reafirma la enorme importancia de los datos de colisiones obtenidos por el Tevatrón en la búsqueda del Higgs. Por supuesto, habrá que esperar cierto tiempo hasta que los físicos experimentales apliquen este método a los datos reales de colisiones, aunque todo apunta a que en los próximos meses se podría decidir la cuestión del espín de la nueva partícula descubierta en el LHC  con una masa entre 125 y 126 GeV. El artículo técnico, para los interesados en los detalles, es John Ellis et al., “A Fast Track towards the `Higgs’ Spin and Parity,” arXiv:1208.6002, Subm. 29 Aug 2012.

PS (8 sep. 2012): Solo en el canal difotónico, con 25 /fb de colisiones en ATLAS y CMS, ya es posible determinar el espín del Higgs (separando espín cero de espín dos al menos a 5 sigmas) según el artículo de Alexandre Alves, “Is the New Resonance Spin 0 or 2? Taking a Step Forward in the Higgs Boson Discovery,” arXiv:1209.1037, Subm. 5 Sep 2012.

Nuevos resultados sobre el Higgs

Hoy, 18 de julio, ha empezado el congreso “Higgs Hunting 2012,” Orsay, Francia, no se esperan grandes sorpresas, pero se ha publicado un nuevo análisis en los datos recopilados por ATLAS, en concreto, en el canal WW→lνlν (la desintegración de un Higgs en dos bosones W que a su vez se desintegran en un leptón cargado y un neutrino). Este canal todavía no es sensible a un Higgs de 125 GeV, pero muestra un claro exceso entre 115 y 150 GeV, como es de esperar si se inyecta la señal de un Higgs; alrededor del valor para la masa de 125 GeV el exceso alcanza los 2,8 σ; comparándolo con el modelo estándar se obtiene un valor μ = 1,4 ± 0,5 que es compatible. Por tanto, a pesar de la baja sensibilidad, este canal en ATLAS está de acuerdo con los resultados obtenidos para los canales e H → ZZ y H → γγ, que permitieron el descubrimiento del Higgs publicado el 4 de julio. Más información en Olivier Arnaez, “Searches for the SM scalar boson in the H → W+W channels with the ATLAS detector,” HH 2012, 18th July [slides]. Se ha hecho eco de este resultado, como no, Matt Strassler, “New Higgs Result From the ATLAS Experiment,” OPS, July 18, 2012. Los resultados obtenidos por ATLAS son similares a los ya publicados por CMS, que nos ha recordado Dave Evans, “Searches for the SM Higgs boson in the WW decay channel with the CMS experiment,” HH 2012, 18th July [slides].

La importancia de los cálculos teóricos en la búsqueda del Higgs es destacada por Robert Harlander, “Higgs production – Theory,” HH 2012, 18th July [slides]. Se han hecho avances muy importantes en los últimos diez años hasta alcanzar los cálculos a NNLO, pero aún se sigue trabajando. Lo mismo ocurre en cuanto a los métodos de Montecarlo como nos ha contado Carlo Oleari,” MC Tools and NLO Monte Carlos,” HH 2012, 18th July [slides].

El bosón de Higgs descubierto en el LHC podría ser supersimétrico, pero entonces debería estar acompañado de cuatro bosones más, dos de ellos cargados. Todas las búsquedas de estos otros Higgs han sido infructuosas hasta el momento, tanto en el Tevatrón [slides], como en ATLAS [slides] y CMS [slides], aunque solo se han usado datos de 2011 con colisiones a 7 TeV c.m. (los datos de 2012 están todavía en análisis, habrá que estar al tanto en los próximos meses). No se debe olvidar que respecto a la supersimetría, un bosón de Higgs a 125 GeV deja todavía la puerta abierta de par en par [slides].

Por ahora, no hay mucho más que contar del Higgs 2012.

Por qué el canal tau-tau en CMS no muestra ninguna señal de un bosón de Higgs

Nadie lo sabe, pero por ahora es la señal más firme de que el bosón de Higgs descubierto en el LHC del CERN no es el predicho por el Modelo Estándar. Sin embargo, no es todo lo firme que nos gustaría a algunos y la opinión de muchos expertos es que la discrepancia desaparecerá cuando ATLAS publique sus datos sobre este canal (y cuando CMS acumule más datos). Os recuerdo, esta figura de exclusión muestra los datos observados por CMS para el canal H→ττ (la desintegración de un bosón de Higgs en dos leptones tau) con datos de 2011 y 2012; la curva negra sigue a la curva roja, la predicha si no existe el bosón de Higgs, muy lejos de la curva discontinua, la esperada si existe un Higgs  con masa 125 GeV. Interpretar que esta figura implica que el Higgs descubierto el 4 de julio no se desintegra en dos leptones tau es todavía muy arriesgado, porque la curva roja todavía no tiene un valor menor de la unidad, aunque casi lo tiene, luego CMS no es aún sensible en este canal para descartar al Higgs. De ahí las dudas de todos los expertos. Sin embargo, este canal ha encendido muchas “luces” en la calenturienta mente de muchos físicos teóricos. La cuestión del millón de dólares es ¿cuál es la causa de esta discrepancia? Anoche, sobre las 02:00 (hora española), se lo preguntaron a Joe Incandela (CMS), “Observation of a narrow resonance near 125 GeV in CMS (was “Higgs-CMS”),” ICHEP 2012, 9th July. ¿Qué contestó Joe?

Incandela, que ya presentó el descubrimiento del Higgs el pasado miércoles 4 de julio, donde nadie pudo hacerle preguntas técnicas porque no estaba permitido, dijo anoche que el culpable de la anomalía es un solo bin, un pequeño conjunto de datos, que he marcado con un círculo rojo en la figura de arriba, el bin para un subcanal con energía entre 120 y 140 GeV. La gran distancia entre el valor observado de ~0,35 con el valor de ~1,15 esperado si existe un Higgs, e incluso con el valor de ~0,7 predicho por el SM si no existe el Higgs, es la razón fundamental de que CMS en el canal tau-tau no haya visto el bosón de Higgs. Solo un bin de datos. ¡Increíble! Pero en la figura se ve muy bien que en este bin la desviación es enorme, enorme, superior a cinco sigmas. Incandela ha sugerido que debe ser una fluctuación estadística, pero hay que esperar a acumular más datos para confirmarlo (o refutarlo). Más aún, en los demás canales de la desintegración tau-tau en CMS no se observa una discrepancia tan enorme, por lo que un físico experimental debe pensar que se trata de una desviación de origen estadístico (pero casi seis sigmas es una desviación muy grande, demasiado grande).

En el ICHEP 2012, el sábado hubo una charla dedicada en exclusiva al canal di-tau (o tau-tau) en CMS, en concreto, la de Joshua Swanson (CMS), “Search for a SM Higgs decaying to tau pairs with the CMS detector,” ICHEP 2012, 7th July. Como he dicho, la charla deja claro que como todavía no hay sensibilidad suficiente para excluir el bosón de Higgs a 95% C.L. en ningún punto del intervalo entre 110 y 145 GeV, debemos tener cuidado a la hora de interpretar este resultado y no extraer conclusiones anticipadas. La interpretación más conservadora de este canal es que estamos observando una fluctuación estadística (por defecto). La interpretación más radical es que este canal nos indica que el bosón de Higgs observado no es el bosón de Higgs del modelo estándar; sin embargo, en mi opinión, esta interpretación radical es menos razonable que la interpretación conservadora a la vista de los datos de ATLAS. En los próximos meses habrá que estar muy al tanto de cómo evoluciona el canal di-tau en CMS.

¿Por qué es muy importante el canal tau-tau en la búsqueda del Higgs? Utilizando el LHC del CERN, la única manera de comprobar el acoplamiento del bosón de Higgs con los leptones es el estudio de su desintegración en los leptones más pesados, los leptones tau. El canal di-tau, H→ττ, corresponde a la desintegración de un Higgs en un par de leptones tau (en rigor, un tau y un anti-tau). Os recuerdo que el leptón tau tiene una masa de 1,78 GeV y una vida media de 290 femtosegundos (milésimas de billonésima de segundo).

Los leptones tau no dejan ningún tipo de traza (trayectoria) en los detectores de los experimentos del LHC (al contrario que los muones y los electrones) y solo pueden ser observados de forma indirecta gracias a los productos de su desintegración (leptones cargados, pérdidas de energía (neutrinos) y chorros de hadrones). Por tanto, este canal es difícil de estudiar y requiere un gran número de colisiones. Por ahora, no hay suficientes colisiones en 2011 y 2012 en el LHC para poder usar el canal di-tau para excluir un Higgs con ninguna masa, con lo que las conclusiones que podemos derivar de este canal hay que tomarlas con “alfileres.” ¿Qué nos dicen ATLAS y el Tevatrón sobre este canal?

Como muestra esta figura en la charla Swagato Banerjee (ATLAS), “Search for the Standard Model Higgs boson in the H decay mode with the ATLAS detector,” ICHEP 2012, 7th July, el canal di-tau comprende tres subcanales en función de si los taus se desintegran en leptones o en chorros (hadrónicos). Todos estos subcanales son muy difíciles de estudiar porque involucran la aparición de más de dos neutrinos que se observan como pérdidas de energía; si detectar un neutrino es difícil, imaginad lo difícil que es detectar cuatro en el subcanal H→ττ→ll4ν. Aún así, el canal di-tau es muy importante y hay que estudiarlo. A modo de ejemplo, abajo tenéis un evento con un leptón, un chorro hadrónico y tres neutrinos (que no se ven, claro).

Bueno, al grano. Como muestra la figura de abajo, ATLAS solo ha analizado el canal di-tau con los datos de 2011 (aún no se ha publicado el análisis con datos de 2012, que quizás vea la luz en agosto). Por tanto, confrontar el resultado de CMS yATLAS requiere un puntito de sal.

Por ahora el canal di-tau en ATLAS no es capaz de excluir al Higgs para ninguna masa entre 100 y 150 GeV (como ya vimos que también pasa con CMS incluso con datos de 2012). La gran diferencia entre ATLAS y CMS en este canal es que la señal observada por el primero es compatible con un Higgs a 125 GeV del modelo estándar (como muestra la figura de arriba a la derecha) con una diferencia ridícula de solo unas 0,2 sigmas, mientras que la señal de CMS no lo es (con casi dos sigmas de diferencia). En este sentido, la combinación de datos de ATLAS y CMS nos permite asegurar que el canal di-tau difiere de las predicciones del modelo estándar en muy poco.

Si estudiar el canal di-tau en ATLAS y CMS es difícil porque hay pocas colisiones, en el Tevatrón la situación es aún peor porque solo se pueden estudiar algunos de los subcanales. Ahora mismo el cociente σ/σ_SM > 15, con lo que este canal nos puede aportar poco, realmente muy poco (recuerda que en ATLAS es mayor de 3 y en CMS es mayor ligeramente de 1). Nos lo han contado Elisabetta Pianori (CDF), “Standard Model Higgs boson searches in challenging channels using the full CDF dataset,” ICHEP 2012, 7th July, y P. Grannis (DZero), “Search for the Standard Model Higgs in γγ and τ+lepton final states,” ICHEP 2012, 7th July. Pero que realmente aportan poco a lo ya dicho.

En resumen, aunque me gustaría afirmar que el canal tau-tau apunta a que el bosón de Higgs observado el 4 de julio no es el bosón de Higgs del Modelo Estándar (SM), sino uno de sus primos que no se desintegra en leptones, no puedo hacerlo. A la vista de que no hay colisiones suficientes aún, debemos esperar, pero por ahora CMS+ATLAS+Tevatrón apuntan a favor de una fluctuación estadística en CMS y de que la partícula descubierta en el LHC corresponde al Higgs del SM hasta que los hechos demuestren lo contrario.

El primer día del ICHEP 2012: Nada nuevo que merezca ser contado

El congreso de física de partículas más importante de este verano, el ICHEP 2012, Melbourne, Australia, ha tenido el mejor telón posible en el seminario del CERN que ha presentado el descubrimiento del Higgs. El primer día de la 36th International Conference for High Energy Physics, es decir, el 5 de julio, ha sido más bien soso. Muchas charlas sobre teoría, física del sabor (quarks b, c y s), medidas del quark top, búsquedas de la supersimetría, física de neutrinos y física de jets (chorros hadrónicos), pero la mayoría no ha presentado resultados realmente nuevos (aunque muchos son relativamente nuevos porque se hicieron públicos por primera vez hace solo unos meses). No solo yo lo creo así, Anna Phan, “ICHEP 2012: Day One,” USLHC, Quantum Diaries, opina lo mismo.

La física de neutrinos ha sido muy interesante este año y nos ha dado muchas buenas noticias, como el valor no nulo del ángulo theta-13 de la matriz PMNS para la oscilación de los neutrinos (Daya Bay, RENO, Double Chooz, etc.), que ahora nos recuerdan en el ICHEP 2012. Me ha gustado la charla de Stefan Antusch (University of Basel, Germany), “The Neutrino Flavour Puzzle in the Light of “Large” θ13 PMNS,” ICHEP 2012, 5th July. Nos recuerda que el resultado experimental de Daya Bay es compatible con unos pocos modelos teóricos, la mayoría de los cuales pueden ser desechados (en 2006 había al menos 63, que predecían los valores mostrados en la figura). La física teórica es así. Los teóricos proponen todas las posibilidades que se les ocurren y los experimentos (la Naturaleza) selecciona solo unos pocos. Incluso en esta conferencia nos proponen un nuevo modelo, K.S. Babu (Oklahoma State University, USA), “Large Theta(13) From Minimal SO(10) Unification,” ICHEP 2012, 5th July.

¿Qué destacar? El vídeo “A la busca de la materia oscura en el túnel de Canfranc,” lainformacion.com, me ha recordado que los españoles teníamos esperanza de que la mina de Cafranc alojara a LAGUNA (Large Apparatus for Grand Unification and Neutrino Astrophysics). No ha sido posible; entre los 7 candidaturas fue elegida (marzo 2012) la mina Pyhäsalmi, Finlandia; la razón clave es que se encuentra a 2300 km del CERN, mucho más de los 730 km que le separan de Gran Sasso, con lo que se podrán hacer experimentos LBNO utilizando el futuro haz de neutrinos de CERN-to-Pyhäsalmi (CN2PY). Los interesados en más detalles disfrutarán de Silvestro di Luise (On behalf of the LAGUNA-LBNO collaboration), “LAGUNA-LBNO: a very long baseline neutrino oscillation experiment,” ICHEP 2012, July 5th. Por cierto, LAGUNA-LBNO todavía está en proyecto y se espera que su construcción finalice en 2023.

Cambiando de tema. Este año también hay que recordar la desviación a 3,4 sigmas observada en BaBar respecto a las predicciones del Modelo Estándar en las desintegraciones de bosones B que decaen en una resonancia D*, un leptón tau y un neutrino tau. Nos lo cuenta Guglielmo De Nardo (Representing the BaBar collaboration), “B→
τν and B→
 D*τν decays at BaBar,” ICHEP 2012, 5th July; la posibilidad de explicar esta discrepancia gracias a la existencia de más de un Higgs (modelo 2HDM tipo II) ha sido descartada. Todavía Belle no ha publicado su resultado al respecto (Christian Oswald (Belle Colab.), “Semileptonic and decays at Belle,” ICHEP 2012, 5th July). Esta colaboración ha actualizado su figura con las violaciones de la simetría CP en el encanto, que mejora ligeramente lo ya publicado en marzo; la mejora es pequeña y apunta pronto (tras el análisis de los datos LHCb de 2012) podría alcanzar las 5 sigmas. Más información en Byeong Rok Ko (for the Belle Collaboration), “Direct CP Violation in charm at Belle,” ICHEP 2012, 5th July.

En cuanto a las búsquedas de la supersimetría en el LHC no hay novedades, aunque mucha gente quiere que este año sea el del descubrimiento de la SUSY (como se lleva queriendo desde hace 20 años). No se han publicado análisis de búsquedas con datos de 2012 (colisiones a 8 TeV c.m.) salvo alguna cosita de carácter técnico, en mi opinión poco relevante, por lo que todo se ha reducido a las búsquedas con datos de 2011 (colisiones a 7 TeV c.m.), que aunque presentan algunos reanálisis, solo conducen a novedades de poca importancia (repito, en mi opinión, que nadie se sienta dolido). Por ejemplo, tomando CMS (hay otras tantas en ATLAS) encontramos búsquedas como CMS 1, CMS 2, CMS 3, CMS 4, CMS 5, etc. Casi todas las búsquedas se centran en modelos sencillos para la SUSY, variantes de MSSM, luego el efecto real sobre la búsqueda de la supersimetría, en abstracto, del fallo de estas búsquedas es pequeño. Para mí, lo más curioso es la gran cantidad de gente que trabaja en la SUSY y que está desesperadamente buscándola.

No hay nada que me haya llamado especialmente la atención, salvo esta figura que combina (de forma oficiosa) los resultados del Tevatrón y el LHC en el cálculo de la masa del quark top (obviamente, MS bar). El autor, Frederic Deliot (CEA/Irfu-Saclay), “Combination of the top-quark mass measurements from the Tevatron and from the LHC colliders,” ICHEP 2012, 5th July, ha realizado la combinación de forma oficiosa, por lo que la llama “My TeV-LHC Combination.” Su resultado es 173,1  ± 0,9 GeV, resultado que hay que comparar la combinación oficial del Tevatrón 173,2 ± 0,9 GeV. Por tanto, combinar los datos del LHC con los del Tevatrón no mejora el valor. Esto es razonable porque los errores sistemáticos (que no los estadísticos) son todavía muy grandes en el LHC. Lo cierto es que será muy difícil reducir estos errores sistemáticos (a no ser que algún joven físico teórico tenga una idea feliz para realizar una análisis capaz de superar esta barrera que parece infranqueable). Sin embargo, los errores estadísticos (relacionados con el número de colisiones analizadas) son menores (en el valor oficioso, que conste) en la combinación del LHC que en la combinación del Tevatrón; estos errores seguirán siendo cada vez más pequeños conforme se acumulen más colisiones).

Hay más cosas, pero nada realmente nuevo. Lo dicho, este primer día ha del ICHEP 2012 sido un poco insulso. Ya veremos qué pasa el segundo día (muchas de las tansparencias están disponibles ya, pero no he tenido tiempo de ojearlas).

El Tevatrón del Fermilab incrementa su señal del bosón de Higgs hasta 2,5 sigmas

No es un gran avance, pues la estadística no permite un descubrimiento del bosón de Higgs en el Tevatrón del Fermilab, Chicago, EE.UU. Sin embargo, para los físicos son buenas noticias que la combinación de los datos de los detectores del Tevatrón, CDF y DZero, incremente los indicios sobre un bosón de Higgs hasta 2,5 sigmas (aún muy lejos de las 5 sigmas necesarias para proclamar un descubrimiento); lo más importante es que considerando solo el canal H→bb se obtienen 2,9 sigmas para el Higgs (un resultado muy importante cuando Philip Gibbs combine este canal con los resultados que se publiquen en el LHC). Para ver la importancia de este valor hay que recordar que en febrero de 2012 los indicios eran a solo 2,2 sigmas. Pasar de 2,2 a 2,5 sigmas no es un gran avance pero hay que tener en cuenta a que solo se ha realizado un reanálisis de los mismos datos recabados por el Run II del Tevatrón, entre 2001 y 2011, unos 12 /fb de colisiones protón-antiprotón a 1,96 TeV en el centro de masas, de los que se han grabado en disco en CDF y DZero unos 10 /fb (se lee inversos de femtobarn y es una medida del número total de colisiones). Nos lo están contando [han contado] ahora mismo vía video streaming y nos lo ha avanzado Tommaso Dorigo en “A 2.5 Sigma Higgs Signal From The Tevatron !,” AQDS, July 2nd 2012. Os recuerdo que Tommaso es físico de la colaboración CDF (y también de CMS en el LHC del CERN). Las figuras que abren esta entrada son las publicadas hoy (junio de 2012) y la publicada en febrero de 2012. Como podéis comprobar los cambios son muy pequeños. El resultado del Tevatrón es muy interesante, pero prácticamente no ha cambiado. Por cierto, Philip Gibbs se ha alegrado mucho de la señal a 2,9 sigmas en el canal dibottom, como nos cuenta en “Tevatron squeeze 2.9 sigma Higgs Signal,” viXra log, July 2, 2012.

Como nos cuenta Tommaso, para una Higgs con una masa de 125 GeV la teoría predice la producción de unos 2300 bosones de Higgs en un total de 10 /fb de datos de colisiones (en concreto, en el modo de producción WH tenemos N(WH) = 150 fb * 10 / fb = 1500, y en el modo ZH tenemos N(ZH) = 80 fb * 10 /fb = 800). La mayoría de estos bosones de Higgs se desintegran en el canal H→bb, un par de quarks bottom-antibottom, con un momento cada uno de unos 60 GeV que se materializan en dos chorros de hadrones, fáciles de detectar, pero que tienen un gran fondo de ruido (el background predicho por el modelo estándar es muy alto), lo que impide utilizar este canal con precisión. Sin embargo, este es el canal estrella para la observación de un Higgs con 125 GeV en el Tevatrón, ya que las desintegraciones WH→Wbb y ZH→Zbb en el LHC tienen muchísimo más ruido de fondo. Aún así, el Tevatrón tiene una resolución en el canal H→bb de solo unos 15 GeV, lo que quiere decir que si el Higgs tiene una masa de 125 GeV, el Tevatrón debería observar un exceso entre 110 y 140 GeV, como así es. Por ello, solo ha podido excluir un Higgs con menos de 103 GeV y con masa entre 147 y 180 GeV, cuando por el número de colisiones analizados, si no existiera el Higgs, se esperaba excluir masas menores de 120 GeV y entre 139 y 184 GeV. Obviamente, esto nos da confianza en la existencia del Higgs pero es una prueba muy alejada e indirecta.

Esta figura ilustra muy bien lo que he comentado en el párrafo anterior. Muestra lo que se ha observado (punto negro) y lo que se espera observar según la teoría en el canal Vbb. La señal de un Higgs corresponde a los en los canales WH→Wbb y ZH→Zbb que aparece en la figura combinados en verde. El fondo para esta búsqueda son las desintegraciones WZ (en color rojo) y ZZ (en color amarillo). Basta una ojeada rápida a la figura para comprobar que la relación señal-ruido es muy mala y por ello no podemos saber si en los datos observados se esconden un Higgs o no lo hace. Aún así, se han obtenido dos 2,5 sigmas de significación para la hipótesis de que existe un Higgs, que no es moco de pavo con una señal-ruido tan mala.

Los otros modos de desintegración del Higgs que se pueden estudiar en el Tevatrón son el canal WW (la desintegración en un par de bosones W que acaban en cuatro leptones, dos de ellos son neutrinos, que se observan como una pérdida de energía), el canal ZZ (la desintegración en un par de bosones Z y luego en cuatro leptones) y el canal γγ (la desintegración en un par de fotones). En todos estos canales, en especial el último, el Tevatrón no puede competir con el LHC. Como muestra esta figura, las bandas de error para estos canales son mucho más grandes que para el canal bb con lo que su utilidad en una combinación oficiosa con los datos del LHC es bastante reducida.

En resumen, los resultados del Tevatrón son muy interesantes para una futura combinación (oficiosa por ahora) de Tevatrón + LHC, pero por sí solos nos aportan poca información en relación a lo que se publicará este miércoles 4 de julio. Aún así, hay que felicitar a los investigadores de CDF y DZero que han desarrollado algoritmos para estrujar los datos del Tevatrón y sacar hasta la última gota. Su labor será de gran utilidad en el futuro, aunque en la búsqueda del bosón de Higgs el único chico en la ciudad es el LHC del CERN.

Ya ha acabado la presentación y os dejo con una foto (borrosa) de los dos conferenciantes (justo antes de acabar; que me perdonen por no haber salido muy favorecidos, pero no estuve atento a este detalle hasta el final).

PS: Por cierto, Peter Higgs estará en el CERN el miércoles, junto a Frank Close (@closefrank) que ha tomado la siguiente foto (de una cena de anoche entre amigos). Por cierto, ¿reconoces a los que acompañan a Higgs? Usa los comentarios para proponer tu respuesta… Para ayudaros en la foto de más abajo tenéis a Higgs y Close en el aeropuerto de Palermo camino de Ginebra (no quieren faltar el miércoles a la rueda de prensa que se dará en el CERN).

PS: Todas las figuras publicadas hoy en el Tevatrón sobre la búsqueda del Higgs aparecen en esta página web “Tevatron New Phenomena & Higgs Working Group” bajo el título de “Updated Combination of CDF and DØ’s Searches for Standard Model Higgs Boson Production with up to 10.0 fb^-1 of Data,” June 2012. Resumiendo al máximo, se excluye al 95% C.L. el Higgs del modelo estándar con una masa m_H entre 147 y 180 GeV/c², y entre 100 y 103 GeV/c² (recuerda que LEP 2 lo excluyó por debajo de 114,4 GeV/c² ). Se observa un exceso con una significación estadística de 2,5 σ que podría ser interpretado como un Higgs con una masa entre 115 y 135 GeV/c². Y lo que es más importante, existe un exceso con una significación de 2,9 σ en la combinación de CDF y DZero para los canales H→bb. La combinación con los demás canales estudiados, H→W⁺W^-, y H→γγ, reduce esta significación a solo 2,5 σ.

PS (3 julio 2012): La nueva combinación oficiosa de Philip Gibbs LHC+Tevatrón+LEP muestra una señal alrededor de 12,5 GeV con 4,39 sigmas de significación estadística local. Como muestra la figura de abajo.

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

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

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

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

Un resumen sobre el estado de la búsqueda del Higgs tras la conferencia de Moriond EW 2012

Un lector preguntaba hace un par de días por qué no se puede estimar de forma teórica el valor de la masa del bosón de Higgs a partir del resto de los parámetros del modelo estándar. Yo le contesté que se podía, por ejemplo, a partir de la masa del bosón W y del quark top, como muestra esta figura, extraída de Bodhitha Jayatilaka (On behalf of the CDF Collaboration), “Measurement of the W Boson Mass at CDF,” Rencontres de Moriond (Electroweak) March 7, 2012 (Submitted to Phys. Rev. Lett. [arXiv:1203.0275]); sin embargo, la medida precisa de la masa del bosón W es muy difícil en un colisionador de hadrones (como el LHC o el Tevatrón), por lo que las estimaciones teóricas son bastante pobres (por el momento). Lo más importante es que estos resultados teóricos con compatibles con los límites de exclusión de las búsquedas directas.

La mejor manera de estimar la masa del Higgs es combinar las búsquedas directas en el LHC y en el Tevatrón. Esta figura muestra la combinación no oficial de Phlip Gibbs para el LHC en marzo de 2012, obtenida combinando los datos más recientes de ATLAS y CMS en los canales de búsqueda más prometedores para un Higgs de baja masa (más información en Philip Gibbs, “Moriond 2012 Higgs Summary,” viXra log, March 8, 2012). Esta figura tiene “trampa” por dos lados, por uno porque la combinación es oficiosa (combina figuras publicadas no eventos observados) y por otro porque solo se han combinado ciertos canales (añadir los canales con poca resolución para un Higgs de baja masa hace que esta figura empeore). Sea como sea, esta figura es espectacular donde las haya. Los datos experimentales muestran un pico alrededor de 125 GeV con la anchura correcta esperada para un Higgs con dicha masa (destacada con la curva en amarillo). La confianza estadística estimada de esta figura es de unas 4 sigmas, insuficiente para un descubrimiento (sobre todo por las dos “trampas” realizadas). No importa, una figura similar a ésta (Gibbs está clavando todas sus estimaciones estadísticas) será publicada este verano (quizás en julio o más tardar en agosto). En este sentido esta figura no oficial es un anticipo para abrir boca. Una figura oficial como ésta, obtenida por ATLAS y por CMS por separado, permitirá proclamar que el Higgs existe fuera de toda duda (la opinión de mucha gente en el CERN es que no quieren molestarse en combinar oficialmente ambos experimentos).

Que ciertos canales muestran una señal más clara de un Higgs de baja masa que otros canales, porque su resolución para un Higgs de baja masa es mucho peor con los datos actuales, es algo bien conocido por todos los miembros de los experimentos de ATLAS y de CMS. Esta figura mostrada en Moriond EW 2012 muestra dos combinaciones de ATLAS para la búsqueda del Higgs; en azul se combinan solo los canales “estrella” H→γγ, y H→4l, en rojo se combinan los canales “pésimos” (por ahora no muestran nada porque no pueden mostrarlo) H→lνlν, H→ττ, y H→bb, y en negro se combinan todos los canales; como es obvio, los canales “pésimos” degradan la señal y hacen que la curva negra sea mucho menos significativa que la azul. Como diría César @EDocet mezclar churras con merinas no sale nunca bien. La razón por la que alguna gente dice que tras Moriond la señal de ATLAS se ha degradado es que se han añadido los canales “pésimos” (en diciembre no fueron incluidos).

Gibbs también destaca en su entrada lo que ya nos dijo John Ellis en un artículo en ArXiv; lo más interesante de Moriond EW 2012 es que ya hay pruebas que indican que, con alta probabilidad, la partícula con una masa alrededor de 125 GeV que se ha observado en los experimentos tiene espín cero, es decir, es un bosón escalar (como debe ser el Higgs). Se sabe gracias a los datos del Tevatrón en el canal H→bb, que indican que una partícula escalar se está desintegrando en dos fermiones cuyo espín está orientado en direcciones opuestas. Este dato indica que la resonancia que se observa en la figura no oficial de Gibbs tiene toda la pinta de corresponder al bosón de Higgs del modelo estándar (la partícula de “Brout-Englert-Higgs” según algunas charlas en Moriond EW 2012). Por supuesto, una verificación fiable y definitiva requerirá bastante tiempo pues hay comprobar con gran precisión que la partícula observada cumple con todas las propiedades que tiene que tener la partícula de Brout-Englert-Higgs, que no son pocas.

Finalmente, tampoco debemos olvidar que CMS ha publicado una actualización de su combinación para la búsqueda del Higgs; aunque no se han analizado nuevos canales ni se han utilizado más datos que en diciembre, se ha utilizado una técnica estadística de análisis mejorada. El resultado previo para la búsqueda de Higgs de masa baja hizo dudar entre un Higgs con una masa de unos 120 GeV y otro con una masa de unos 124 GeV, pero el nuevo resultado mejorado reduce considerablemente la señal en 120 GeV, reforzando la señal en el intervalo 123-126 GeV, lo que lo hace mucho más compatible con el resultado de ATLAS. Todo parece indicar que ATLAS y CMS están convergiendo en la misma dirección, hacia un Higgs con una masa alrededor de 125 GeV.

Muchos me diréis que soy muy pesado con el Higgs, pero quiero escribir un librito sobre la búsqueda del Higgs y necesito documentar en detalle todos los progresos que se van publicando, los progresos que poco a poco van dando caza al Higgs.

PS (13 marzo 2012): Matt Strassler, muy crítico con la posibilidad de que exista el bosón de Higgs y en su caso de que sea el bosón predicho por el modelo estándar, da su brazo a torcer en “The Quiet Higgs Quake at CMS,” Of Particular Significance, March 13, 2012. Aún así, todavía no está convencido por completo. Los curiosos por conocer la opinión de un experto que no opina lo mismo que yo disfrutarán con su entrada (y con otras entradas de su blog).

El bosón de Higgs en Moriond 2012 y la combinación no oficial del blog viXra

Hoy miércoles ha sido el día del bosón de Higgs en Moriond EW 2012. Y como no podía ser menos, Philip Gibbs ha publicado la actualización de su combinación no oficial LHC+Tevatrón incorporando los datos finales del Tevatrón. Esta combinación no oficial, basada en la ley de los grandes números, solo mejora ligeramente la versión previa basada solo en los datos del LHC. La figura sigue apuntando a un bosón de Higgs con una masa entre 117 y 127 GeV, pero sin lograr una evidencia con suficiente significación estadística. La figura de arriba es la figura de exclusión de masas y la figura de abajo el mejor ajuste de la probabilidad de producción del Higgs observada a la predicción del modelo estándar. Esta figura alegrará la vista a los que aún dudan que el Higgs tenga una masa de 125 GeV y creen que no podemos descartar aún una masa más baja, de unos 120 GeV (Philip ha colocado un pico gaussiano en amarillo en este último valor para reforzar esta idea). Yo he de confesar que si me hubiérais preguntado hace 3 años os habría dicho que el valor que más razonable me parecía para la masa del Higgs era de 120 GeV pues deja muchas puertas abiertas a física más allá del modelo estándar (por ejemplo, a un Higgs supersimétrico); el valor de 125 GeV está justo en el borde entre un Higgs del modelo estándar y un Higgs supersimétrico (este último algo forzado). Aún así, en este último año mi opinión ha cambiado y cada día me gusta más un valor entre 124 y 126 GeV para el Higgs. Obviamente, lo que a mí me guste es solo eso, lo que a mí me gusta. La Naturaleza es la que tiene la última palabra. Más información en Philip Gibbs, “Tevatron posts excess with final Higgs results,” viXra log, March 7th, 2012.

Como no podía ser menos, hoy todo el mundo en la física de partículas está hablando del resultado del Higgs obtenido por el Tevatrón. Cada uno ofrece su opinión y hay varias opiniones claramente contrapuestas. Ya sabéis mi opinión, los resultados conocidos hasta ahora apuntan a un Higgs del modelo estándar con una probabilidad de un 99%. Sin embargo, Matt Strassler, “Higgs Results from The First Week of the Moriond Conference,” OPS, March 7, 2012, tan crítico como siempre contra la idea de que la física del Higgs no oculte ningún secreto que anime la fiesta a los teóricos, opina que el nuevo resultado del Tevatrón, fríamente, solo presenta un 90% de probabilidades de corresponder al Higgs del modelo estándar. Según Matt, la señal observada por DZero y CDF del Tevatrón confirma de forma moderada las señales observadas por ATLAS y CMS del LHC. Según él, los bazas para la existencia de un Higgs que no sea el del modelo estándar se han incrementado gracias al Tevatrón. Obviamente, se trata de su opinión. Jester, “Higgs: evidence growing stronger,” Résonaances, March 7, 2012, y Tommaso Dorigo, “Tevatron Higgs Results Confirm LHC Signal!,” AQDS, March 7th 2012, opinan todo lo contrario y coinciden conmigo en que las señales apuntan con claridad a un bosón de Higgs del modelo estándar. Lo que un lector no experto debe saber es que estas opiniones son eso, opiniones, y que la resolución final de la búsqueda del Higgs requiere acumular más colisiones en el LHC. No hay otra opción. Tommaso Dorigo nos comenta en detalle las dos siguientes figuras, que él cree que soportan su opinión (os animo a leerle si estáis interesados en los detalles).

En Moriond EW 2012 los resultados sobre el Higgs en el Tevatrón se han publicado en tres presesntaciones. Joseph Haley, “Results from DZero,” Homer Wolfe, “Results from CDF,”  y Wade Fisher, “Tevatron Combination.” La figura más interesante de todas, en mi opinión, es la siguiente. El valor cero significa que no hay Higgs y el valor uno que hay el Higgs del modelo estándar. Los datos del Tevatrón son compatibles con un Higgs de baja masa; de hecho, esta figura es exactamente le cabía esperar del Tevatrón, un gran logro para todos los científicos que trabajan en CDF y DZero.

En Moriond EW 2012 también se ha presentado la versión actualizada del análisis sobre el Higgs realizado por ATLAS (os recuerdo que había algunos canales que no habían sido analizados en diciembre pasado) y por CMS, en concreto, SandraKortne, “SM scalar boson search with ATLAS,” y Marco Pieri, ”Searches for the SM Scalar Boson at CMS.” Como nos destaca Matt Strassler en su blog, la incorporación de los nuevos canales en ATLAS ha reducido un poquito la certeza estadística sobre un Higgs con una masa de unos 125 GeV. Destaca el canal de desintegración del Higgs en un par de leptones tau (un tau y un antitau) que presenta un déficit incluso respecto a la señal de fondo (background). Este déficit provoca que la evidencia local para un Higgs con una masa de 125 GeV en ATLAS haya decrecido de 3,5 sigmas a solo 2,5 sigmas (la figura de abajo compara el resultado de diciembre, izquierda, con el nuevo de marzo, derecha). La interpretación de este efecto es difícil, pues puede ser una simple fluctuación estadística hacia abajo en los datos; por supuesto, los amantes de la idea de un Higgs leptofóbico estarán dando palmas con las orejas. Por supuesto, ATLAS no tiene sensibilidad suficiente en el canal ditau para que podamos decir nada sobre la posible fobia del Higgs a desintegrarse en leptones. Para mí lo más importante está en el sombreado en rojo con la palabra excluído: ahora mismo ATLAS excluye la existencia de un Higgs en el intervalo de masas fuera de 122,5 y 127,5 GeV; solo quedan 5 GeV en los que puede esconderse el Higgs (la pequeña región alrededor de 118 GeV seguramente es un artefacto estadístico). Nos destaca este punto importante Jester en Résonaances.

Aunque haya decrecido un poco la señal local de un Higgs a 125 GeV, lo que no hay que olvidar es que la señal observada es tan compatible con un Higgs con esta masa como cabría esperar para los pocos datos analizados hasta ahora, como ilustra esta figura de abajo. De hecho, ATLAS exclu

Los resultado publicados por CMS son también interesantes. El único canal que se ha mejorado ha sido el difotónico, la desintegración de un Higgs en dos fotones, en el que se ha mejorado en un 20% la estimación del fondo (el cambio de la curva a trazos azul a la curva a trazos roja en la figura de abajo). Con esta mejora la señal para un Higgs a unos 125 GeV pasa a ser cercana a 3 sigmas también en CMS. Esto significa que todo apunta en el LHC hacia un Higgs con esta masa.

En resumen, a buen entendedor sobran las palabras. ATLAS y CMS nos indican que el Higgs, de existir, tiene una masa entre  122,5 y 127,5 GeV, centrada alrededor de 125 GeV; el Tevatrón confirma esta señal hasta donde puede (para la resolución del Tevatrón una masa de 120 GeV es lo mismo que una de 130 GeV). La búsqueda del Higgs sigue siendo tan apasionante como siempre.

El resultado final sobre la búsqueda del Higgs en el Tevatrón del Fermilab

Hoy en Moriond 2012 se ha publicado el resultado final combinado DZero+CDF en el Tevatrón del Fermilab para la búsqueda del Higgs; el resultado es más espectacular de lo esperado, confirmando la señal observada por ATLAS y CMS en el LHC del CERN que apunta a un Higgs con una masa baja entre 117 y 127 GeV. Por cuestiones técnicas el Tevatrón no tiene resolución suficiente para apuntar hacia un Higgs con una masa de 125 GeV y por ello muestra un pico bastante ancho. Aún así, este resultado es el mejor que se puede obtener con el Tevatrón debido a sus limitaciones intrínsecas en su sensibilidad a un Higgs con una masa baja. Todos los que ansiamos que el Higgs sea descubierto este año creemos que este nuevo resultado es una gran contribución del Tevatrón a la búsqueda del Higgs. Más información en la nota de prensa de hoy en el Fermilab, que incluye figuras y vídeos aparte. Más información divulgativa en Jason Palmer, “Higgs boson hints multiply in US Tevatron facility data,” BBC News, 7 March 2012. Más información en español en “Tevatron observa indicios del bosón de Higgs consistentes con los del LHC usando distintas técnicas,” CPAN Ingenio, 7 marzo 2012.

Para los interesados en detalles técnicos, la figura que abre esta entrada combina los resultados obtenidos por los expermientos CDF y DZero tras analizar unos 10 /fb de datos de colisiones protón-antiprotón a 1,96 TeV cm (todos los datos almacenados en disco de las colisiones en el Tevatrón que finalizó su operación a finales de septiembre del año pasado). La figura muestra una evidencia a 2,2 sigma de un Higgs con una masa baja, entre 115 y 135 GeV (el Tevatrón con solo 10/fb de datos no tiene resolución suficiente para reducir este intervalo). Además, el Tevatrón excluye al 95% CL un Higgs con una masa entre 147 y 179 GeV, algo que hoy tiene poco interés porque el LHC lo excluye en un intervalo más grande.

La combinación a ojo de buen cubero de los datos del Tevatrón y del LHC muestra una evidencia a unos 3 sigma (más o menos 1 entre 740) de la existencia de un Higgs con una masa entre 117 y 127 GeV. Habrá que estar al tanto de la combinación no oficial de Philip Gibbs que cuantificará con más detalle esta estimación (seguramente saldrá esta tarde-noche). Además, esta noche habrá un webcast sobre la búsqueda del Higgs en el Fermilab a las 21:00 horas (hora de Madrid). Trataré de verlo y ya os contaré.

¿Qué son CDF y DZero en el Tevatrón? CDF es un experimento internacional de 430 físicos de 58 instituciones en 15 países. DZero es un experimento internacional llevada a cabo por 446 físicos de 82 instituciones en 18 países. Ambos experimentos forman parte del Tevatrón, situado en el Femilab (Laboratorios Nacionales Fermi) en Batavia, a las afueras de Chicago, EE.UU. El Tevatrón es un colisionador de hadrones donde se hacen colisionar haces de protones contra haces de antiprotones (su antipartícula) con una energía total en el centro de masas de la colisión de 1,96 TeV (el LHC funcionó el año pasado con colisiones protón contra protón a 7 TeV y este año funcionará con colisiones a 8 TeV).

Por supuesto, ”todavía hay mucho trabajo por delante antes de que la comunidad científica puede decir con seguridad si existe el bosón de Higgs;” de hecho, el Tevatrón todavía no ha dicho su última palabra pues se está trabajando en la mejora de las técnicas estadísticas de análisis de los datos y quizás para finales de año pueda publicarse alguna mejora del resultado publicado hoy; el Fermilab tiene que “exprimir hasta la última gota todos los datos del Tevatrón.” Lo importante que un lego debe saber es que este año, el año del descubrimiento del Higgs, el Tevatrón y el LHC son complementarios y la combinación de todos sus resultados es la primera señal que está alumbrando la existencia del Higgs de baja masa. Los resultados más interesantes del Tevatrón son los obtenidos en el canal de desintegración del Higgs en un par de quarks bottom, pero este canal es muy difícil de estudiar pues ambos bottom se observan en forma de chorros de hadrones cuyas propiedades son difíciles de cuantificar en detalle (hay que recordar que los detectores del CDF y DZero tienen más de 10 años y son menos precisos que los del LHC).

Como nos dicen en la nota de prensa del Fermilab, el LHC y el Tevatrón está tomando una “foto” del Higgs con cámaras diferentes y la del Tevatrón es una cámara desenfocada; para lograr que mejore su foco es necesario mejorar las técnicas de análisis de los datos y ese es el objetivo durante este año para los físicos del Fermilab. La “foto” del Higgs que ofrecerá el LHC este verano (con unos 5 /fb de datos de colisiones protón-protón a 8 TeV) será mucho más nítida, aunque aún no podemos asegurar que vaya a ser la definitiva. Como ya muchos sabéis, yo predije en Amazings Bilbao que el Higgs se descubriría este verano. Si al final me equivoco, será por poco porque su descubrimiento será proclamado, a más tardar, a finales de este año. Solo una catástrofe en el LHC podría evitarlo. Crucemos los dedos.