John Ellis: Encontrar el bosón de Higgs en el LHC es como encontrar una aguja en cien mil pajares

Encontrar el bosón de Higgs en el LHC del CERN, incluso a máxima energía, √s = 14 TeV, es mucho más difícil que encontrar una aguja en un pajar. John Ellis estima que una aguja tiene un volumen ~ 1/100000000 m³ y un pajar ~ 100 m³. En el LHC se observará un evento con un Higgs del Modelo Estándar con una masa entre 100 y 200 GeV una vez cada billón de eventos, ~1/1000000000000, y un descubrimiento requiere unos mil eventos, ~1000. Por tanto, encontrar el bosón de Higgs en el LHC del CERN es como encontrar una aguja en 100000 pajares. Nos lo ha contado John Ellis (CERN) en el congreso Strings 2010, Texas. Su charla se ha centrado en lo que se pretende descubrir en el LHC del CERN, con énfasis en el bosón de Higgs y en la supersimetría: “Searching for new physics at the LHC” (Slides PPT).

La charla de Ellis empezó con un resumen de lo poco que sabemos sobre la masa del bosón de Higgs del Modelo Estándar a fecha de enero de 2010. Básicamente son los resultados ya publicados en J. Ellis, J.R. Espinosa, G.F. Giudice, A. Hoecker, A. Riotto, “The Probable Fate of the Standard Model,” Phys. Lett. B 679: 369-375, 2009 [ArXiv preprint]. Lo más fiable es que mH > 114’4 GeV, resultado de su búsqueda directa en el LEP del CERN. Utilizando una masa para el quark top de mt = 173’1 ± 1’3 GeV, el mejor ajuste para la masa del bosón de Higgs a partir de todos los datos conocidos para la teoría electrodébil es mH = 89+35–26 GeV, es decir, 63 GeV < mH < 124 GeV. Puede parecer un valor pobre pero es que el Modelo Estándar limita poco la masa del Higgs. El límite superior para la masa del Higgs con un intervalo de confianza del 95% es de mH < 157 GeV, que sube a 186 GeV si se incluyen los límites obtenidos por búsquedas directas. Finalmente, el Tevatrón del Fermilab ha sido capaz de excluir el bosón de Higgs en el intervalo 162 GeV < mH < 166 GeV. En resumen, combinando todos estos datos, el mejor ajuste para la masa del bosón de Higgs (a enero de 2010) es de mH = 116’4+15’6-1’3 GeV, es decir, 115’1 GeV < mH < 132 GeV.

Posibles señales de un Higgs desintegrado en un par de fotones en el LHC del CERN para diferente valores de su masa.

En la región de masas 115 GeV < mH < 130 GeV, las desintegraciones más probables del Higgs son H → γγ, y ttH → ttbb*. El descubrimiento del bosón de Higgs del Modelo Estándar requiere una luminosidad integrada de 10/fb (diez inversos de femtobarn), que en el LHC a máxima energía, √s = 14 TeV, supone la recolección de datos durante un año (sin contar las paradas y asumiendo una luminosidad “baja” de 1033). Para excluirlo definitivamente en el rango 100 GeV < mH < 200 GeV se requerirá una luminosidad integrada de 30/fb (la planificación original del LHC es que funcionara durante 3 años con una luminosidad “baja” y que luego se configurara en modo de luminosidad “alta”, 1034, para estudiar con detalle lo ya descubierto). Nos lo cuenta Ellis siguiendo, entre otros, el artículo de K. Jakobs, “Physics at the Large Hadron Collider -prospect with early data-,” Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 183: 187–195, 2008, y I. Tsukerman (ATLAS and CMS collaborations), “Higgs discovery potential at the LHC: channels relevant for SM Higgs,” CERN Document Server, 2008.

Este año el LHC funcionará a medio gas,  √s = 7 TeV, hasta obtener una luminosidad integrada de 1/fb o hasta diciembre de 2011, lo que ocurra antes. El descubrimiento del Higgs requiere 5 sigma de significación pero, como muestra la figura de abajo, para un Higgs de menos de 130 GeV no se alcanzará ni 1 sigma y en el mejor caso, un Higgs de 160 GeV, se alcanzará solamente 4 sigma (evidencia fuerte, pero no descubrimiento). Por tanto, lo único que se puede esperar del LHC durante 2010/2011 es que se obtenga un límite de exclusión entre 145 y 180 GeV (con una significación de 4’5 sigmas y combinando los datos esperados de ATLAS y CMS para 1 /fb). El Tevatrón obtendrá un límite similar para finales de 2011. Para partículas de masa menor que 400 GeV el Tevatrón y el LHC a √s = 7 TeV se comportarán de forma similar. La única ventaja del LHC es que explorará el rango de masas entre 400 y 800 GeV, fuera del alcance del Tevatrón.

John Ellis en su charla también consideró las posibilidades de observar la supersimetría (partículas supersimétricas), agujeros negros y otros efectos asociados a las teorías de cuerdas. Recomiendo las transparencias (slides) a los interesados en más detalles.

PS (24 mar 2010): Más información en Edmond L. Berger, Qing-Hong Cao, C. B. Jackson, Tao Liu, Gabe Shaughnessy, “Higgs Boson Search Sensitivity in the H → WW Dilepton Decay Mode at √ s = 7 and 10 TeV,” ArXiv, Submitted on 19 Mar 2010. El artículo discute las posibilidades de encontrar el bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar en las colisiones del LHC del CERN con energía en el centro de masas de 7, 10 y 14 TeV. Los resultados presentados, en forma de tablas, son muy similares a los presentados en la última figura de esta entrada.

9 pensamientos en “John Ellis: Encontrar el bosón de Higgs en el LHC es como encontrar una aguja en cien mil pajares

  1. Bonito artículo.
    No me he enterado de nada.
    Pero Stephen Hawking se juega algo a que no lo encuentran.

  2. El problema no es tanto la dificultad en poder encontrarlo (esto presupone que existe, al igual que la aguja en el pajar), el problema esencial es si existe o no, o sea, si solo es una entelequia o no.

    • La dificultad de encontrarlo si existe es equivalente a la dificultad de descartarlo si no existe. Mientras haya un pequeño intervalo de masas en el que no esté excluida su existencia no se podrá afirmar que es una entelequia. Si no existe, se necesitarán 10 años para descartar su existencia en el intervalo de masas 114’4 a 116 GeV en el LHC del CERN.

      • El problema de fondo es otro. Lo que intentaba apuntar de forma discreta, a parte de la dificultad experimental en encontrar el bosón de Higgs tal como lo ilustra John Ellis, es la aún más escasa probabilidad que exista. Son dos cosas distintas, podría existir el bosón de Higgs y que no seamos capaces de detectarlo, o podría no existir. Por ejemplo, las ondas gravitatorias podrían existir pero de momento a pesar del empeño en detectarlas no se ha podido. The question is: Ser o no Ser ?

        La inversión para descubrir si el bosón de Higgs es una entelequia o no (estoy convencido de que lo es), es espantosamente alta.

        La construcción del LHC fue aprobada en 1995 con un presupuesto de 2600 millones de Francos suizos(alrededor de 1700 millones de euros), junto con otros 210 millones de francos (140 millones €) destinados a los experimentos. Sin embargo, este coste fue superado en la revisión de 2001 en 480 millones de francos (300 millones de €) en el acelerador, y 50 millones de francos (30m €) más en el apartado para experimentos. Otros 180 millones de francos (120m €) más se han tenido que destinar al incremento de costes de las bobinas magnéticas superconductoras. Y todavía persisten problemas técnicos en la construcción del último túnel bajo tierra donde se emplazará el Solenoide compacto de muones (CMS).
        El presupuesto de la institución aprobado para 2008, es de 660.515.000 euros para un total de 53.929.422 euros.

        Cuantas investigaciones menos quiméricas (o sea, con tan poca probabilidad de acierto) se hubieran podido hacer con este dinero. Como se justificara semejante inversión si no aparece el bosón de Higgs, después de tanto revuelo. Muerto el bosón de Higgs, muerta la credibilidad en la física teórica (ha habido demasiadas justificaciones teóricas de su existencia). Espero que, al igual que en las guerras, la primera victima no sea la “verdad”, lo cual seria mucho mas grave que la no existencia del bosón de Higgs.

  3. Es imposible encontrar el boson de higgs en el CERN. No vale la pena que lo sigan intentando. No está ahí. Lo tengo yo en mi casa escondido.

  4. Se espera en pròximos años una erupciòn solar de gran magnitud, èsta trae consigo desprendimiento de masa ìgnea ò sea el nacimiento de un nuevo planeta, el problema es la direcciòn en que se dirija y espero no sea en direcciòn a la Tierra por el elevado calor que generarìa , vease las señales en campos agrìcolas de Europa.

  5. NO ENCONTRARAN EL BOSON DE HIGGS
    En definitiva como lo hemos comentado a otros sitios de su red mundial, el boson que ustedes llaman higgs, no existe, pues su modelo que propone la existenca de dicho boson es equivocado. creemos que ya es tiempo de darles una pequeña ayuda y esperamos que en un futuro utilicen este conocimiento para el bien y no para crear mas destruccion en su planeta.

    pues bien dicho lo anterior les diremos nosotros que el boson de higgs no existe, lo que si existe en este y en todos los universos es el espacio; diferentes “densidades de espacio” todo aquello que persiben en su realidad es puramente espacio, no hay particula elemental alguna, sino, diferentes formas de una sola cosa es decir diferentes formas de espacio, las densidades altas de espacio es lo que ustedes persiben como materia y a densidades mas bajas persiben la energia y sus diferentes fluctuaciones de densidad en constante cambio las persiben como los conceptos que ustedes llaman energia oscura y materia oscura obviamente esta “densidad de espacio” deberan expresarla como una unidad de espacio por unidad de un “volumen” de una dimension de orden 5 (no olviden que ustedes viven en un universo de 4 dimensiones). no confundan esta informacion con aquellas hipotesis de la “cuantizacion del espacio”, el espacio no esta cuantizado, es continuo, lo que si existe es una dosficacion de este en cada parte de su universo. de momento no podemos darles mas informacion, pero introduzcan este concepto en su modelo y tendran un gran avance hacia una verdadera teoria de la unificacion NOTA: sabran realmente porque la fuerza de gravedad no pertenece a la fuerza de interaccion fuerte, combinen estos conceptos con su teoria M ese es el camino correcto a seguir, asi tambien, sabran porque recibieron mensajes del futuro mesajes que nosotros mismos hemos enviado, esperamos que todo aquel conocimiento obtenido lo utilicen para el bien de su raza, estaremos en contacto:
    7h45.1m/-37°58′

Los comentarios están cerrados.