Posible observación en el Tevatrón de un bosón de Higgs supersimétrico de baja masa

Un nuevo estudio del experimento CDF del Fermilab ha buscado bosones de Higgs supersimétricos de baja masa (4 GeV/c²) en desintegraciones de quarks top de tipo t → H± b → W± A b → W± b τ τ, el top se desintegra un bottom y un Higgs supersimétrico cargado, que a su vez se desintegra en un bosón W y un Higgs neutro, que a su vez produce un par de leptones tau. El nuevo estudio mata dos pájaros de un solo tiro, siendo la evidencia más fuerte hasta el momento de la supersimetría y de la existencia del bosón de Higgs. No nos engañemos, todavía es pronto para proclamar un descubrimiento definitivo. Pero la evidencia clama al cielo. Observad en la figura de la izquierda cómo los datos experimentales observados (triángulos naranjas) siguen la curva predicha teóricamente (curva naranja). La evidencia es fuerte, aunque no definitiva.

Nos cuenta el descubrimiento de primera mano en R. Erbacher, A. Ivanov, and W. Johnson for the CDF Collaboration, “Search for NMSSM Higgs in Top Quark Decays,” Public Conference Note, Jan. 7, 2010. Lo destaca en su blog Tomasso Dorigo, “Plot Of The Week – Supersymmetric Higgs Bosons Of The Third Kind,” Quantum Diaries Survivor, Jan. 21, 2010, que promete en una futura entrada explicar el descubrimiento. Y la mula Francis no podía ser menos. Así que trataré de explicar qué son estos bosones de Higgs supersimétricos. Esperemos que lo logre… Por cierto, quizás alguien quiera leer antes a Kanijo en “En la búsqueda de un bosón de Higgs ligero,” Ciencia Kanija, 20 oct. 2008, y en “Confiamos en SUSY: Lo que realmente busca el LHC,” Ciencia Kanija, 13 nov. 2009. O incluso a MiGUi, “Buscando la supersimetría en el LHC: la esperanza de la teoría de cuerdas,” 12 nov. 2009.

El teorema CPT afirma que toda teoría cuántica de campos es invariante ante transformaciones simultáneas que involucren la conjugación de carga (C), operación en la que todas las partículas se substituyen por sus antipartículas, la inversión de la paridad (P), en la que se cambia la dirección del espín de todas las partículas por su opuesta, y la inversión temporal (T), en la que se invierte el sentido de la flecha del tiempo. Se sabe experimentalmente que ciertas partículas violan la simetría CP, lo que permite explicar la asimetría entre materia y antimateria tras los primeros momentos de la Gran Explosión.

El bosón de Higgs es una partícula predicha por el Modelo Estándar y sus extensiones que todavía no ha sido encontrada. En el Modelo Estándar mínimo existe un sólo bosón de Higgs que es una partícula escalar neutra. ¿Viola o conserva la simetría CP el bosón de Higgs? Si el bosón de Higgs conserva la simetría CP necesariamente tiene que haber al menos dos bosones de Higgs neutros, uno con simetría CP-par y otro con simetría CP-impar. Si hay un solo bosón de Higgs, debe violar la simetría CP y se asume que será CP-par. Esta última es la predicción del Modelo Estándar mínimo.

La supersimetría es una simetría física que asocia a cada partícula elemental del modelo estándar otra partícula gemela, su supercompañera, de tal forma que si la partícula es un bosón (fermión), la superpartícula será un fermión (bosón). Como la supersimetría no se observa a baja energía, la supersimetría debe ser una simetría rota y por tanto la superpartícula tiene que tener una masa mucho mayor que la masa de la partícula. Quizás por ello no hemos observado todavía ninguna superpartícula. Hay muchas maneras de introducir supersimetrías en el Modelo Estándar, es decir, se pueden añadir muchas supersimetrías a las simetrías del modelo estándar. La versión más sencilla se denomina Modelo SuperSimétrico Mínimo (MSSM). En una teoría supersimétrica hay como mínimo cinco bosones de Higgs: tres partículas neutras y dos partículas cargadas de carga opuesta. Si la simetría CP se conserva, entre los tres bosones de Higgs neutros, tiene que haber dos bosones de Higgs con simetría CP-par, uno pesado y otro ligero (H y h), donde se supone que el pesado (H) es el bosón de Higgs del Modelo Estándar, y un bosón de Higgs con simetría CP-impar (A). Los otros dos bosones de Higgs cargados (H±) tienen simetría CP opuestas. En el Modelo SuperSimétrico Siguiente-al-Mínimo (NMSSM), que incluye un supercampo adicional, hay siete bosones de Higgs, tres bosones neutros con simetría CP-par (h1, h2, h3), dos bosones neutros con CP-impar (a1, a2), y un par de Higgs cargados (H±).

¿Qué masas pueden tener estos bosones de Higgs supersimétricos? Igual que el Modelo Estándar no predice la masa del bosón de Higgs, la supersimetría tampoco permite predecir la masa de sus bosones de Higgs (los responsables de que este rota a baja energía). De hecho, podrían existir bosones de Higgs de baja masa que se hayan producido en el LEP del CERN y se estén produciendo en el Tevatrón del Fermilab ahora mismo que escapen a los detectores, porque sus modos de desintegración no están entre los que se han buscado o porque los detectores de estos experimentos no son sensibles a dichos modos de desintegración. Por ejemplo, en el Tevatrón es muy difícil detectar bosones de Higgs cuya masa sea menor que el doble de la masa del quark bottom (b).

Sorprende saber que hay una anomalía en los datos del LEP2 del CERN que apunta hacia un bosón de Higgs supersimétrico. En teoría uno esperaría que un bosón vectorial W no debería tener más preferencia por desintegrarse en leptones de una familia concreta que en cualquiera de las otras tres. A esto se le denomina “universalidad leptónica.” Los datos del LEP indicaron que BR(W →μ ν)/BR(W →e ν) = 0,994 ± 0,020, de acuerdo con la universalidad. Sin embargo, BR(W→τ ν)/BR(W →e ν)  = 1,070 ± 0,029, y BR(W→τ ν)/BR(W →μ ν)  = 1,076 ± 0,028, que están en desacuerdo con la universalidad en más de dos desviaciones típicas (en 2,8 σ). ¿Qué dice el Tevatrón del Fermilab al respecto? Poco, ya que es casi “ciego” a este tipo de procesos. Por el momento se ha observado que  BR(W→τ ν)/BR(W →e ν)  = 0,99 ± 0,04 (stat) ± 0,07 (syst), es decir, 0,99 ± 0,08, ya que 0,08 = √( (0,04)²+(0,07)²). Este resultado está de acuerdo con la universalidad leptónica pero aún así la banda de error es muy grande y el resultado no puede competir en exactitud con el obtenido por el LEP2 (mucho más sensible a este tipo de procesos).

Los datos de LEP2 descartan a los bosones de Higgs supersimétricos del modelo MSSM con gran probabilidad. De hecho, el bosón de Higgs neutro ligero (h) debería tener una masa del orden de o inferior a la del bosón vectorial W, de hecho, inferior a 82 GeV/c2. Sin embargo, no descartan el modelo NMSSM en el caso de que el bosones de Higgs neutros a1 y a2, llamados de forma genérica A, tengan una masa muy pequeña, menor del doble que la masa del quark bottom (b). En dicho caso sería razonable que los bosones de Higgs cargados H± tuvieran una masa superior pero del orden de la masa del bosón vectorial Z, es decir, unos 100 GeV/c2. Estos bosones de Higgs cargados serían fácilmente observables en el Tevatrón del Fermilab y que la probabilidad (BR) de la desintegración H±→W± A, es siempre mayor que 1/2 para una masa aproximada m(H±)≈100 GeV/c2.

En este blog también podrás leer otras entradas como:

El bosón de Higgs podría ser la primera partícula supersimetría en ser descubierta, 18 Julio 2009.

El bosón de Higgs tiene una masa de 120,7 GeV según predice el físico teórico John Ellis, 27 Agosto 2009.

La susy te da sorpresas, sorpresas te da la susy, ay Dios…, 6 Noviembre 2008

Qué aprenderemos del mundo si se descubre el bosón de Higgs en el LHC del CERN, 30 Septiembre 2008

Sobre el descubrimiento de la supersimetría en el LHC del CERN, 27 Septiembre 2008

La masa en reposo del bosón de Higgs (o mi obsesión mientras paseo, pese a mi mujer), 13 Julio 2008.

7 pensamientos en “Posible observación en el Tevatrón de un bosón de Higgs supersimétrico de baja masa

  1. Tendría narices que fuera cierto, entonces te acusaría de haber gafado al LHC con tus declaraciones! xDD

    • MiGUi, como ves en el comentario de Alberto, he metido la pata. El titular de la noticia debería ser algo como “Estudio en el CDF del Tevatrón de un bosón de Higgs supersimétrico de baja masa” pero busqué un titular llamativo y metí la pata.

      Lo prometo, ni ha sido la primera vez, ni será la última. ¡Así son los blogs!

  2. Mira, la curva de arriba indica el límite superior de las fracciones de desintegración en función de la masa del Higgs supersimétrico. Es un límite porque el experimento ha observado que las medidas son compatibles con el ruido ( en este caso, con el modelo estándar) y lo único que puede establecer es que si el Higgs supersimétrico existiera las fracciones de desintegración del top a H+b ( con el H+ decayendo al 100% a W+A y el A a 2 taus al 100%)serían menores de lo que indica la gráfica

    O sea, no es evidencia de observación, siento decepcionarte. Es un estudio interesante y bien hecho, pero no observa señal de Higgs supersimétricos, sino, al contrario, lo observado es compatible con el modelo estándar y pone límites

    Saludos

    Alberto Ruiz ( Instituto de Física de Cantabria, miembro del experimento CDF)

    • Muchas gracias, Alberto Ruiz. He cometido un grave error interpretando la figura. Quería un titular espectacular y lo conseguí. Me gustó que los dos primeros daots experimentales (triangulos naranjas) estuvieran al borde de la región de exclusión al 95%. He metido la pata hasta el fondo.

      Esto es lo bonito de los blogs, los comentarios que le corrigen a uno y complementan lo escrito, incluso cuando uno mete la pata. Gracias de nuevo, Alberto.

      • No te preocupes, uno siempre sigue aprendiendo, muchas veces a base de errores.

        Y divulgar la ciencia siempre es de agradecer.

        Saludos

        Alberto

  3. Evidentemente nadie es infalible (ni siquiera los grandes físicos). Lo bueno que tienen los blogs que son leidos por gente con grandes conocimientos de física como este es que las aportaciones de los lectores permiten aclarar e incluso corregir algunos datos. Tu sigue con tu estupenda tarea de divulgación científica que tus lectores te lo agradecerán.

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