Cómo podría esconderse el bosón de Higgs en los datos del LEP2 y del Tevatrón

Desintegración de un Higgs en neutralinos (izq.) y sneutrinos (der.), incluyendo el cociente entre las predicciones supersimétricas MSSM (ver curva "Hidden Sector" en rojo) y el modelo estándar SM (azul). El modelo estándar está dominado por las desintegraciones en quarks bottom (verde) y pares de bosones W (naranja). Un tal Higgs de 100 GeV sería compatible con la búsqueda en LEP2.

 El bosón de Higgs podría haberse producido copiosamente en el LEP2 del CERN y estar haciéndolo en el Tevatrón del Fermilab sin que nadie lo haya detectado. El ajuste experimental de los observables de precisión de la teoría electrodébil utilizando los datos recabados en LEP2 y el Tevatrón apuntan a un bosón de Higgs con una masa de unos 80 GeV, sin embargo, la búsqueda directa de dicho bosón en el LEP2 indica que su masa debe ser superior a 114,4 GeV. Este límite asume que es cierto el Modelo Estándar y se basa en el estudio de la producción conjunta de un Higgs y un bosón Z, desintegrándose el primero en un par de quarks b (bottom). El mejor límite inferior para la masa del Higgs que sea independiente del modelo fue obtenido por OPAL, en concreto 82 GeV. El bosón de Higgs podría estar escondido en los datos de LEP2 con una masa menor de 114,4 GeV si hubiera física más allá del modelo estándar que permitiera BR(h→b b) < 0,20 (o sea, el 20%). Hay muchos modelos que pueden suprimir este modo de desintegración del Higgs y que permiten modos de desintegración no estudiados aún en los datos de LEP2 y el Tevatrón. Un nuevo estudio sugiere que hasta 104 bosones de Higgs con una masa de unos 100 GeV pueden estar ocultos en los datos de LEP2 y del Tevatrón según un modelo supersimétrico mínimo que suprime la desintegración del Higgs en quarks bottom. Los teóricos han pasado el testigo a los físicos de partículas elementales que tendrán que cribar los datos de LEP2 y del Tevatrón para chequear la posible validez de esta sugerencia. El artículo técnico, para los interesados, es Adam Falkowski, Joshua T. Ruderman, Tomer Volansky, Jure Zupan, “Hidden Higgs Decaying to Lepton Jets,” ArXiv, 16 Feb 2010. 

Lo más curioso del nuevo estudio es que ajustando adecuadamente los parámetros del modelo supersimétrico utilizado se pueden suprimir terriblemente los modos de desintegración del modelo estándar para un Higgs con una masa menor de 150 GeV, como muestra la figura de la izquierda para la desintegración de un Higgs singlete. Las desintegraciones del Higgs en el “sector oculto” tienen una probabilidad cercana a la unidad, suprimiendo las desintegraciones compatibles con el modelo estándar hasta en tres órdenes de magnitud. ¿Cómo es posible que el bosón de Higgs esté escondido en los datos ya estudiados? El problema con estos modos de desintegración “exóticos” para el Higgs es que se confunden muy fácilmente con modos de desintegración de los hadrones y la relación señal/ruido para ellos es muy baja. El ruido de fondo debido a la QCD impide ver estas desintegraciones del Higgs “a simple vista” ya que el resultado final es una cascada compleja de electrones y muones, llamada chorro de leptones (lepton jet), final típico de muchos otros procesos. 

La posibilidad de un bosón de Higgs supersimétrico de baja masa está poniéndose de moda entre los teóricos. Otro artículo reciente que la discute es Radovan Dermisek y John F. Gunion, “New constraints on a light CP-odd Higgs boson and related NMSSM Ideal Higgs Scenarios,” ArXiv, 9 Feb 2010, donde se nos indica que, según el modelo NMSSM, un bosón de Higgs CP-impar supersimétrico (h1) de menos de 105 GeV podría escapar del límite de 114,4 GeV del LEP2 gracias a su desintegración h1→ a1 a1, con ma1> 7,5 GeV. El análisis de esta propuesta, utilizando datos experimentales del detector BaBar del SLAC (que estudia millones de bosones B, formados por quarks bottom) muestra que dicho bosón de Higgs preferentemente tiene una masa entre 90 y 100 GeV. 

PS (24 feb. 2010): Algunos estáis interesados en los límites inferiores para la masa del bosón de Higgs según OPAL y LEP, os dejo aquí la figura a partir de la cual se obtuvieron (extraída de esta presentación Joshua T. Ruderman, “Hiding the Higgs with Lepton Jets,” NHETC at Rutgers Physics Department, February 2, 2010, que incluirá un vídeo para Real Player; también es interesante la presentación de C.Csaki, “Buried Higgs,” NHETC at Rutgers Physics Department, 12/08/09, también tendrá vídeo .rm). 

Lo que se descubrirá sobre el universo gracias al satélite Planck

Espectro de la radiación de fondo de microondas (CMB) según WMAP, mostrando los primeros tres picos acústicos, y el esperado para Planck, mostrando los diez primeros. (C) The Scientific Programme of Planck.

El satélite Planck de la ESA nos ofrecerá resultados en 2012 sobre el fondo cósmico de microondas (CMB) con una gran resolución angular (de unos 5´) y una sensibilidad de μK que le permitirá estudiar en detalle la distribución de las anisotropías de la temperatura del CMB (más allá del cuarto pico acústico, ver la figura de arriba) así como su polarización (ver más abajo). La polarización es muy importante porque es el resultado de las ondas gravitatorias primigenias que se generaron durante la Gran Explosión. El análisis detallado de esta polarización (en una escala de 0,1 µK) nos permitirá conocer detalles íntimos de la inflación cósmica. Planck permitirá separar las anisotropías observadas en dos componentes, siendo la componente secundaria debida a las grandes estructuras del universo, que podremos explorar gracias al efecto Sunyaev–Zel’dovich en cúmulos de galaxias y al efecto sobre los fotones del CMB de las lentes gravitatorias débiles. También permitirá estudiar si las perturbaciones de densidad primordiales son gaussianas (como predicen los modelos de inflación) o no, gracias al estudio de las componentes multipolares de la radiación. Los resultados de Planck nos permitirán comparar entre sí diferentes modelos teóricos para la inflación cósmica y para los primeros instantes de la Gran Explosión permitiéndonos decidir cuál de ellos describe mejor el origen del universo. Nos lo cuenta en detalle Amedeo Balbia, “Cosmology from Planck,” New Astronomy Reviews 51: 281-286, March 2007.

Recapitulemos. COBE no tenía resolución suficiente para estudiar con detalle el primer pico acústico de la anisotropía de la radiación del fondo cósmico de microondas (CMB). Dicho pico fue estudiado mediante globos sondas, en experimentos como BOOMERang y MAXIMA, lo que demostró que el universo era aproximadamente plano como predecía la teoría de la Gran Explosión con inflación cósmica. WMAP ha sido capaz de estudiar los dos primeros picos acústicos, el primero mucho mejor que el segundo. Sin embargo, la incertidumbre para el tercer pico es aún alta. WMAP también es incapaz de estudiar en detalle la polarización del CMB.

La evolución del universo durante sus primeros instantes está “congelada” en las oscilaciones y anisotropías del fondo cósmico de microondas (CMB). Estas anisotropías se reflejan en picos acústicos que dan la característica forma “oscilatoria” de la distribución de la temperatura de la radiación CMB. En el plasma de fotones y bariones del universo primigenio, los fotones tienden a eliminar las anisotropías y los bariones, que se mueven a velocidad mucho menores que la velocidad de la luz, tienden a producir anisotropías por atracción gravitatoria. Los picos acústicos corresponden a las frecuencias en las que los fotones se desacoplan de los bariones. La anchura del primer pico determina la curvatura del universo (pero no su topología). El cociente entre las amplitudes del primer y segundo pico determina la densidad de materia bariónica del universo. El cociente entre segundo y tercer pico determina la densidad de materia oscura. Cuanto más picos conozcamos en detalle más precisión tendremos en estas medidas. Además, la localización de los picos nos da información sobre la naturaleza de la densidad de perturbaciones primigenia tras la inflación cósmica del universo. Los modelos más sencillos de inflación cósmica predicen una distribución completamente adiabática para la densidad de estas perturbaciones, pero podría no serlo.

Planck determinará con gran precisión el porcentaje de materia oscura que hay en el universo y también aportará datos sobre su porcentaje de energía oscura (que sólo podrá medir de forma indirecta). La medida precisa de la curvatura del universo y la distribución de la componente secundaria de las anisotropías nos permitirá, gracias al efecto integrado de Sach-Wolfe, estudiar la transición entre un universo dominado por materia a uno dominado por energía oscura (época actual).

Comparación entre la polarización del CMB medida por WMAP y B2K (izq.) y Planck (der.) para los modos TE (arriba) y EE (abajo) suponiendo el modelo cosmológico estándar (ΛCDM). (C) The Scientific Programme of Planck.

Esta figura compara las medidas de la polarización del fondo cósmico de microondas que se pueden obtener con WMAP con las que se espera que se puedan obtener gracias a Planck. Hay dos tipos de polarización en el CMB llamados modos E y B, por analogía con el electromagnetismo, en el que el campo campo eléctrico (campo E) tiene un rotacional nulo, mientras que el campo magnético (campo B) tiene una divergencia nula. Los modos E aparecen de forma natural por difusión en un plasma heterogéneo. Los modos B son una señal de la inflación cósmica y depeden de la densidad de ondas gravitatorias primigenias. La detección de los modos B es extremadamente difícil porque se cree que su intensidad es mucho menor que la de los modos E. Se espera que el satélite Planck sea capaz de determinar con buena exactitud las componentes relativas del espectro angular de la polarización del CMB, tanto las componentes de polarización EE (eléctrica), TE (trasversal eléctrica), como BB (magnética). Esta última es crucial ya que depende de las componentes tensoriales de las perturbaciones primigenias (ondas gravitatorias) y permitirá medir los parámetros de los modelos inflacionarios y por tanto discriminar entre diferentes modelos de inflación. Abajo aparece una figura con una estimación de las posibles incertidumbres que se espera se puedan obtener utilizando Planck.

Estimación del error en la medida de la polarización BB del CMB usando Planck. (C) The Scientific Programme of Planck.

Los dibujantes de superhéroes afirman que lo científicamente correcto es muy difícil de lograr

Eres aficionado a la ciencia y a la ciencia ficción y no conoces el blog de Sergio L. Palacios, “Física en la Ciencia Ficción,” imposible, no me lo creo. Autor de “La guerra de dos mundos,” disfrutarás con los comentarios y entrevista que le hace Kanijo en “La guerra de dos mundos de Sergio L. Palacios,” Ciencia Kanija, 6 nov. 2009. Me he acordado de ellos tras leer a Helen Fields, “Scientifically Accurate Superheroes? Don’t Count on It,” ScienceNOW, February 19, 2010.

Hollywood tiene un mensaje para los científicos: El que quiera ver algo 100% fiable en todos los sentidos, que vea un documental. Alex Tse, guionista de la película “Watchmen,” afirma que “en la práctica, es imposible cumplir siempre con las leyes científicas.” Lo ha hecho en una sesión sobre superhéroes y ciencia en la Reunión Anual de la AAAS (American Association for the Advancement of Science), que publica la revista Science. En una película lo más importante es el guión y la narración. El trabajo del guionista es que los personajes cumplan al 100% su papel, no que la ciencia lo haga. A Tse le molestan las cosas que no tengan sentido para el espectador, pero mientras tengan sentido para un espectador no científico, es suficiente. La misma opinión la comparte Joe Pokaski, guionista de la serie de TV llamada “Héroes” (donde un grupo de personajes adquieren superpoderes). En “Héroes” la historia explora la lucha de los personajes por descubrir cómo usar sus superpoderes. Lo importante es la “emoción” que la historia provoque en el espectador.

Aron Coleite, también guionista de “Héroes,” nos pone un ejemplo muy ilustrativo. En una escena de la primera temporada de la serie, dos hombres invisibles caminan por una calle de Manhattan, chocando con la gente y las cosas que encuentran a su paso; uno de ellos roba una galleta de un carrito de la compra. Coleite dice que “pasamos horas en una habitación encerrados discutiendo sobre la invisibilidad.” Nos hicimoes preguntas como: ¿Se extiende la invisibilidad a la ropa? ¿Deberían los personajes ir caminando desnudos por la calle? ¿La galleta debe desaparecer? Se les ocurrió una solución sencilla, los personajes presentaban un campo de invisibilidad que distorsionaba la luz a su alrededor, por ello, tanto la ropa como galleta se volvían invisibles. Según Coleite, no es necesario explicarle esta solución al espectador. Basta “demostrarlo visualmente.”

En la conferencia, alguien les preguntó si tenían una formación científica (science background). Pokaski contestó, no, no la tenemos, tenemos formación como guionistas de ciencia ficción (science fiction background). No que tener un doctorado en astrofísica para poder escribir guiones de ciencia ficción. Además, cuantos más detalles y explicaciones se le ofrecen al espectador, más “idiota” parece la solución propuesta en el guión.