La masa del bosón de Higgs es menor de 130 GeV/c² si existe una cuarta generación de quarks

 

La existencia de una cuarta generación de partículas (fermiones) con masa muy grande y los datos experimentales obtenidos por los detectores CDF y DZero del Tevatrón en el Fermilab permiten excluir un bosón de Higgs con una masa entre 130 y 210 GeV/c², por lo que el Higgs de existir debería tener una masa entre 114’4 y 130 GeV/c². La existencia de un quark de cuarta generación con una masa mucho mayor que la del Higgs permite que su acoplamiento con los gluones gracias a dicho quark (ggH) se multiple por un factor de 3 respecto a la predicción del Modelo Estándar. Recordemos. Hay tres generaciones de partículas elementales (fermiones). La primera generación contiene el electrón (e), su neutrino (ν), y los quarks arriba (u) y abajo (d); la segunda al muón, su neutrino y los quarks extraño (s) y encantado (c); y la tercera al tauón, su neutrino y los quarks fondo (b) y cima (t). ¿Podría existir una cuarta generación de partículas? Los datos experimentales actuales son compatibles con una cuarta generación con un “electrón” de masa me4 ≥ 100 GeV/c², su neutrino con mν4 ≥ 80 GeV/c², y quarks “arriba” con mu4 ≥ 256 GeV/c², y “abajo” con  md4 ≥ 128 GeV/c². Una cuarta generación “ligera” (con estas límites en su valor inferior) no afecta a la física que conocemos pero sí a la que desconocemos, por ejemplo, al bosón de Higgs. El nuevo artículo considera también el caso de masa “infinita” (mayor de 10 TeV/c²) para la cuarta generación. Los interesados en más detalles técnicos sobre los límites de exclusión de masa del bosón de Higgs obtenidos por el Tevatrón (datos combinados CDF+DZero) con una luminosidad entre 4’8-5’4 fb-1 si hay una cuarta generación de fermiones disfrutarán el breve artículo “Combined Tevatron upper limit on gg–>H–>WW and constraints on fourth-generation fermion models,” Conference Note D0 Note 6039-CONF, 11 Mar. 2010.

PS (19 marzo 2010): Por primera vez Francis se ha adelantado a Tommaso Dorigo a la hora de comentar un nuevo resultado en física de partículas elementales. Tommaso nos presenta esta noticia en “Higgs Mass Limits: 130-210 GeV !!,” Quantum Diaries Survivor, March 19th 2010. El post de Tommaso merece la pena. Mucho más extenso y detallado que el mío. Permitidme unas retazos para los que no saben inglés…

La masa del bosón de Higgs está excluida en el intervalo de 130-210 GeV con un nivel de confianza del 95% si hay una cuarta generación de partículas elementales. Este resultado ha sido presentado hace dos días por el físico Wei-Ming Yao (LBNL) en “Combinations of Searches for SM Higgs at the Tevatron,” Rencontres de Moriond QCD and High Energy Interactions, March 13-20, 2010. Para Tommaso es un avance realmente importante “I believe the result is still quite important.”

¿Cuántas generaciones de partículas hay? En 1974 se descubrió la segunda generación de partículas elementales y se sugirió la existencia de una tercera, que se descubrió años más tarde (los quarks b y t fueron descubiertos en el Fermilab, este último en 1994). Las investigaciones indirectas en el LEP del CERN indicaron la existencia de sólo 3 familias de neutrinos, resultado que hoy en día se interpreta como que hay solamente tres generaciones de partículas. ¿Por qué no puede haber una cuarta, o una quinta, o infinitas generaciones? Hay argumentos teóricos y experimentales que apuntan a que hay sólo tres generaciones en nuestro universo.

Sin embargo, hay una evidencia débil que se encontró en la colaboración CDF del Tevatrón el año pasado, un posible quark de cuarta generación con una masa alrededor de 450 GeV, un quark t’ (top prima). Sin embargo, como muestra esta figura, la evidencia es sólo un exceso a dos sigma, posiblemente una fluctuación estadística de los datos que probablemente desaparezca cuando este conjunto datos experimentales se amplíe y reanalice en el futuro. Aún así, es una evidencia muy sugerente…

La existencia de una cuarta generación de partículas tiene un impacto significativo en el Modelo Estándar, cambiando las probabilidades de desintegración (branching ratios), las constantes de acomplamiento y la tasa efectiva de aparición de ciertos procesos subatómicos. Por ello no sorprende que cambien los posibles modos de desintegración del bosón de Higgs (Tommaso nos muestra la figura).

Resumiendo mucho, un bosón de Higgs puede desintegrarse en un par de gluones gracias a un bucle con quarks pesados. Con tres generaciones, la única posibilidad es hacerlo a través de un quark top, pero con cuatro generaciones lo hará preferentemente en un bucle con quarks top prima. El resultado es que un Higgs de masa “baja” (menor que 120 GeV) se desintegra tan a menudo en un par de gluones (conectados con quarks pesados) como en un par de quarks bottom (lo que ocurre con 3 generaciones). Para masas intermedias (hasta 200 GeV) pocas cosas cambian, pero para un Higgs pesado, con masa mayor de 200 GeV aparece la posibilidad de que el Higgs se desintegre en un par de fermiones de la cuarta generación.

El resultado de todos estos nuevos modos de desintegración significa que si el Higgs existe aparecería en el Tevatrón 10 veces más a menudo si hay una cuarta generación que si no la hay. Aunque las maneras en las que se desintegran son difíciles de detectar en el Tevatrón, deberían haberse observado señales de las mismas. Como no se ha obtenido dicha observación, el resultado es que el límite de exclusión de masas del Higgs obtenido por el Tevatrón crece enormemente desde 162-166 GeV hasta abarcar todo el intervalo de 130-200 GeV.

En resumen, Tommaso cree que estos resultados son muy interesantes (“I think the result I have described is quite interesting“). Máxime cuando la masa que realmente tengan los quarks y leptones de la cuerta generación no influye casi nada en este límite de exclusión (siempre que sea mayor del doble de la masa del Higgs). Para Tommaso esto es lo más interesante del resultado (“The mass of these new, yet-to-be-found objects does not affect much the limit on the Higgs mass. This is the most interesting thing in the whole analysis: bring the fourth-generation fermion masses to infinity, and nothing changes. Amazing!“)