La ruptura espontánea de la simetría electrodébil y el bosón de Higgs

Imagina que se descubre el bosón de Higgs, ¿entenderemos el mecanismo de generación de masa de las partículas elementales? «Entender» significa entender, comprender, ser capaz de razonar desde la causa al efecto. Todo depende, ¿de qué depende? Depende de las propiedades que tenga el bosón de Higgs que se encuentre. El mecanismo de generación de masas más sencillo no nos permitirá entender nada porque es un mecanismo ad hoc. Puede sorprender a algunos, pero así es. El mecanismo de Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble (o como queramos llamarlo) es un modelo fenomenológico que no explica por qué la interacción de una partícula con el bosón de Higgs dota de masa a esta partícula, ni explica cuánta masa recibe la partícula. El mecanismo afirma que cuanto más fuerte sea el acoplamiento más masa recibirá la partícula, algo que ayuda poco a la hora de entender el porqué. Nos lo cuenta muy bien Michael E. Peskin en «Beyond the Standard Model,» ArXiv, 30 May 1997.

La ruptura espontánea de la simetría electrodébil en el modelo estándar mínimo de las partículas elementales es un hecho experimental demostrado con gran precisión en los grandes aceleradores de partículas durante las últimas décadas. El mecanismo por el que se produce esta ruptura de la simetría no es conocido y hay muchas posibilidades. El mecanismo más sencillo conduce a la predicción de la existencia de una nueva partícula, el bosón de Higgs. Una partícula de espín cero (bosón escalar) sin carga eléctrica (neutro) que se modela por una función de onda real (el bosón de Higgs es igual a su antipartícula) invariante ante la simetría CP (un Higgs CP-par). También podría existir un bosón de Higgs pseudoescalar, Higgs CP-impar. Incluso podría existir un bosón de Higgs cargado (en cuyo caso habría dos porque su antipartícula tendría la carga opuesta) modelado por una función de onda compleja. Y así sucesivamente se puede complicar el sector de Higgs del modelo estándar todo lo que queramos. Más ún, el bosón de Higgs podría ser una partícula compuesta o incluso podría ocurrir que exista el campo cuántico de Higgs pero que no tenga asociado ninguna partícula elemental (modelos de ruptura de simetría sin Higgs) o que el Higgs sea una impartícula. Posibilidades hay tantas como permite la imaginación sin límite de los físicos teóricos más especuladores. La única manera de clarificar el sector de Higgs del modelo estándar es gracias al experimento.  

Peskin nos propone comparar tres modelos diferentes para el mecanismo de Higgs. El primero es el que todos estudiamos en todos los libros de texto, propuesto en 1964 por varios autores de forma independiente. Un bosón de Higgs neutro invariante ante la simetría SU(2)×U(1), técnicamente un doblete, dos campos escalares complejos con 4 grados de libertad, descrito por un potencial

cuyo mínimo se da cuando . El origen es un punto crítico inestable (un máximo local) que espontáneamente decae  hasta este mínimo, como muestra la figura. Conocemos la distancia al origen (módulo) del mínimo pero no el ángulo (fase). Alrededor de este mínimo el vacío se describe por un campo escalar real llamado campo de Higgs (1 solo grado de libertad de los 4 originales). Este campo corresponde a una partícula cuya masa es , que depende de los dos parámetros del potencial. Tras la ruptura de simetría los bosones vectoriales W y Z obtienen una masa en reposo no nula; coloquialmente se «comen» 3 de los 4 grados de libertad originales, dejando solo un campo escalar real con 1 solo grado de libertad. No entraré en detalles técnicos. Si  y son las constantes de acoplamiento de cada uno de los grupos en el producto SU(2)×U(1), las masas de los bosones vectoriales vienen dadas por

,                        ,

que permite determinar el valor a partir de los valores de sus masas. El otro parámetro del potencial, , será determinado cuando se descubra el bosón de Higgs. 

Este modelo de la ruptura de la simetría electrodébil es muy simple, quizás demasiado simple. ¿Por qué se rompe la simetría? El modelo lo único que nos dice es que a baja energía . Esta es la respuesta correcta pero no nos dice nada sobre la razón última de la ruptura de la simetría. Este modelo mínimo para la ruptura de la simetría electrodébil es demasiado simple para ofrecernos una respuesta sobre su causa. Este modelo da cuenta del fenómeno, pero no lo explica.

El segundo modelo que nos ofrece Peskin sustituye el campo escalar real a baja energía por un campo complejo, que tiene 2 grados de libetad y corresponde a un bosón de Higgs cargado. Para ello, a alta energía, se requiere un segundo doblete invariante ante la simetría SU(2)×U(1). Los dos dobletes complejos dan un total de 8 grados de libertad que tras dotar de masa a las bosones W y Z se reducen a 5 grados de libertad a baja energía (3 más de los necesarios para un Higgs cargado). Llamando a los dobletes y , el potencial de Higgs más sencillo es

,

donde  es una matrix 2×2. El proceso es muy similar al caso anterior, pero ahora cada campo del doblete decae a un mínimo distinto, sean y , cuyo cociente se suele escribir como la tangente de un ángulo

.

Las masas de los bosones vectoriales W y Z requieren que . Con este modelo, a baja energía, aparecen 5 bosones de Higgs. Sin entrar en detalles técnicos, aparecen 2 bosones de Higgs cargados , un bosón neutro CP-impar llamado y dos bosones neutros CP-pares  y .

Por un lado, hay que destacar que en el modelo supersimétrico mínimo (MSSM), la incorporación más sencilla de la supersimetría (SUSY) en el modelo estándar, el sector de Higgs es de este último tipo y por ello en el MSSM se predice la existencia de 5 bosones de Higgs como los descritos (los dos dobletes de Higgs son necesarios para dotar de masa a las partículas y a las superpartículas de forma independiente). Observar en los experimentos estos 5 bosones de Higgs no significa que la supersimetría sea una simetría de la Naturaleza, ya que el modelo estándar también permite este mecanismo de Higgs incluso si la supersimetría no describe la Naturaleza. Por otro lado, esta segunda propuesta para el mecnanismo de Higgs tampoco nos explica la causa de dicho mecanismo (básicamente que la matriz tiene un autovalor negativo). Nos encontramos en la misma situación que con el esquema anterior.

El tercer modelo que nos propone Peskin fue propuesto en 1979 por Weinberg y Susskind \cite{Wein,Suss}. El bosón de Higgs es una partícula compuesta de dos fermiones de manera similar a como un mesón está formado por dos quarks (un par quark-antiquark). El Higgs se comportaría como un bosón escalar formado por dos fermiones de masa nula, una pareja de partículas tipo «quark» llamadas (U,D) que son invariantes ante la simetría SU(2)×U(1) igual que los quarks (u,d). Si estas partículas estuvieran confinadas como los quarks no se podrían observar de forma libre y solo se podrían observar como partícula de Higgs. La masa del bosón de Higgs sería energía pura ya que las partículas U y D tendrían masa nula, de forma similar a como el 98% de la masa protón es energía del campo de gluones porque sus tres quarks de valencia (uud) suman menos del 2% de su masa. El campo de Higgs que plaga el vacío tras la ruptura de simetría electrodébil correspondería en esta teoría al campo de pars quark-antiquark (UU y DD) que plagan el vacío en una teoría de fuerza fuerte. Sin entrar en detalles técnicos, este mecanismo funciona tan bien como los otros dos mecanismos que hemos descrito con la diferencia que aparecerían otras partículas (hadrones) en la teoría además del bosón de Higgs. Estas partículas (otros hadrones formados por los nuevos quarks U y D) se estima en teoría que deberían tener una masa del orden de , valor que se calcula a partir del valor de la energía del vacío, . Si se observara un bosón de Higgs escalar neutro no se podría descartar la teoría de Weinberg-Susskind a no ser que se demuestre que en la escala de energías de varios TeV (que explorará el LHC cuando funcione a 14 TeV c.m.) no existen nuevos hadrones.

Para Peskin el mecanismo de Weinberg-Susskind es mucho más interesante que el mecanismo de Higgs estándar porque permite entender cómo ocurre la ruptura espontánea de la simetría electrodébil. Un modelo mucho más complicado pero que explica dinámica la ruptura de la simetría mediante el comportamiento del vacío de la teoría de tipo fuerza fuerte que se aplique a los nuevos quarks U y D. En este modelo, la ruptura de la simetría ocurre porque pasa algo. Hay una causa y un efecto. No entraré en más detalles, bastante clarificados en el artículo de Peskin para los interesados.

Para Peskin, como para Einstein, las teorías físicas han de ser simples, pero no demasiado simples, ya que han de explicar lo que pasa y no solo describirlo.

El significado de la física más allá del modelo estándar mínimo

El modelo estándar mínimo resume todo nuestro conocimiento actual sobre la física de partículas elementales. Cuando se loan sus virtudes se alude a que está basado en la simetría, la belleza de las simetrías locales de aforo (gauge) descritas con la matemática de la teoría de grupos continuos. El modelo estándar se resume en el producto de grupos de simetría SU(3)×SU(2)×U(1). Una descripción engañosa que oculta toda la complejidad de la teoría (quiralidad, generaciones de partículas, ruptura espontánea de la simetría, etc.). No entraré en dichos detalles, solo quiero recalcar que el modelo estándar mínimo es eso, mínimo, pues puede ser ampliado fácilmente. Ahora bien, ampliarlo requiere la guía de los experimentos. La belleza en sí misma no es una guía.

El ejemplo más conocido es la masa de los neutrinos. Todavía no sabemos cual es la forma correcta de incorporar la masa de los neutrinos en el modelo estándar mínimo, porque hay varias posibilidades que dependen de las propiedades que tengan los neutrinos. Por ejemplo, no sabemos aún si los neutrinos son partículas de Dirac (neutrino y antineutrino son partículas diferentes) o de Majorana (son la misma partícula). Sea cual sea la respuesta correcta, la teoría para ampliar el modelo estándar ya está desarrollada y el modelo seguirá siendo una teoría de aforo de tipo SU(3)×SU(2)×U(1), ocultando que la inclusión de la masa de los neutrinos requiere importantes cambios en la teoría y la adición de nuevos parámetros. Se ha avanzado mucho en el conocimiento de la física de los neutrinos en la última década, pero todavía los experimentos no han ofrecido respuestas definitivas sobre la manera correcta de incorporar su masa en el modelo estándar mínimo.

El descubrimiento de nuevas partículas en el LHC del CERN implica física más allá del modelo estándar mínimo pero no implica que haya que cambiar los grupos de simetría SU(3)×SU(2)×U(1) en los que se basa. Se conocen tres generaciones de quarks, (u,d), (c,s) y (t,b). Podría existir una cuarta generación de quarks (t’,b’) cuya incorporación no cambiaría la simetría SU(3)×SU(2)×U(1). Según el experimento CDF del Tevatrón con 4’6/fb de colisiones, la masa del quark t’ es mayor que 335 GeV/c² y la masa del quark b’ es mayor que 385 GeV/c² (ambos al 95% CL). Con estos límites para la masa de estos quarks de cuarta generación podrían ser detectados en el LHC del CERN el próximo año (si existen).

Nuevos grupos de simetría tendrían que ser incorporados en el modelo estándar mínimo si se descubriesen nuevos bosones vectoriales intermedios. El descubrimiento de un Z’ (Z-prima) requeriría añadir un nuevo grupo U(1) resultando en SU(3)×SU(2)×U(1)×U(1) y el de nuevos W’^± el añadir un nuevo grupo SU(2) resultando en SU(3)×SU(2)×SU(2)×U(1). Las búsquedas experimentales de estos bosones vectoriales y los tests de precisión para el modelo estándar indican que tienen una masa mayor de 1 TeV/c² (aunque depende de la búsqueda concreta considerada).

Hay muchos modelos teóricos más allá del modelo estándar que predicen nuevos bosones vectoriales o una cuarta generación de quarks y que implican cambios mucho mayores en el modelo estándar, pero la historia nos dice que el descubrimiento de un nueva partícula es incorporada en el modelo estándar de la forma más sencilla posible, la que aporte el mínimo posible de nuevos parámetros, siempre que sea posible hacerlo de forma compatible con los datos experimentales. Una de las grandes ventajas de que el modelo estándar sea una teoría renormalizable es su facilidad para ser ampliado con un mínimo de cambios.

Por supuesto, la física más allá del modelo estándar también puede implicar otras posibilidades más exóticas, como un grupo de simetría más grande, la idea de las teorías de gran unificación (GUT). La GUT más sencilla, SU(5) ya ha sido descartada, pues implica la desintegración del protón con una vida media (estirando mucho todos los parámetros) menor de 10³³ años y experimentos como SuperKamiokande han demostrado que su vida media es mayor de 7×10³³ años (hay que recordar que se cree que el universo tiene una edad de 13’7 mil millones de años). Aún así, hoy en día no podemos descartar teorías GUT basadas en los grupos de simetría SO(10) y E6. Pero estos grupos añaden demasiadas nuevas partículas aún por descubrir.

En mi opinión, el avance del modelo estándar será paso a paso, partícula a partícula, con pequeñas correcciones o adiciones al modelo estándar hasta que lo hagan tan engorroso (algunos opinan que ya lo es) como para que merezca la pena un cambio radical de paradigma. Incluso el descubrimiento de una o dos partículas (aparentemente) supersimétricas no significará la reinvidicación de la supersimetría como substituta del modelo estándar. Se necesitarán muchos años para que la mayoría de los físicos teóricos se convenzan definitivamente y cambien los libros de texto.

Edward Witten ha ganado la Medalla Isaac Newton 2010 del británico Institute of Physics

El profesor Edward Witten (del Institute for Advanced Studies, Princeton, EEUU) ha ganado la edición de 2010 de la Medalla Isaac Newton concedida por el Institute of Phycis (IOP) británico. Al recibir el premio ha impartido una charla, disponible en vídeo en dos partes (Parte I y Parte II). Os recomiendo ver estos vídeos, especialmente el segundo, donde Witten acaba solicitando jóvenes prosélitos para su causa, el futuro de la teoría de cuerdas. No es una llamada desesperada pero es interesante observar como han cambiado los tiempos. Era obvio hace 10 años que todos los jóvenes que aspiraban a físicos teóricos querían trabajar en teoría de cuerdas. Hoy ya no pasa lo mismo. Los jóvenes saben que su futuro está con los pies en la tierra. Batallando por entender los resultados del LHC del CERN y otros experimentos en curso. La gloria de la teoría de cuerdas quizás acabe como la utopía del evo.

Witten no es un gran divulgador por el número de sus contribuciones pero sí por la calidad de ellas. Os recomiendo sus artículos divulgativos, como Reflections on the Fate of Spacetime, Duality, Spacetime and Quantum Mechanics, Magic, Mystery, and Matrix, The Holes are Defined by the String, The Mass Question, Hunting the Higgs, Universe on a String, Black Holes and Quark Confinement, When Symmetry Breaks Down y Unravelling String Theory.

Por cierto, he olvidado mencionar que me enteré del premio por Luboš Motl, «Newton Medal talk by Witten,» The Reference Frame, July 28, 2010. Lubos se siente el gran cruzado de la SUSY (supersimetría), como nos cuenta en «Suzy at last?,» TRF, July 30, 2010 («the only well-known website in this Solar System that defends supersymmetry as the most likely next experimental discovery in high-energy physics«), que toma título de y comenta a la entrada de Philip Gibbs, «Suzy at Last?,» viXra log, July 30, 2010. ¿Se observará la supersimetría en el LHC del CERN? La signatura de la SUSY en el LHC es la producción de muchos chorros de partículas (asociados a partículas muy masivas) junto a muchas pérdidas de energía (asociadas a partículas que interactúan poco como los neutrinos). En la actualidad el análisis teórico y computacional de este tipo colisiones no es fácil pero se están haciendo grandes avances. Si hay algún lector interesado en estos temas le recomiendo la charla de Matthew Schwartz (Harvard University), «Precision Jet Physics at the LHC,» Particle Theory Seminar, Rutgers University, May 4 2010 [vídeo rm].

Cuando una hoja cae, algo pasa volando…

Os recomiendo los poemas de Magdalena Salamanca Gallego y en particular el primero «Cuando una hoja cae, algo pasa volando.» ¿Cómo cae una hoja de un árbol? La física de la caída de una hoja de papel fue estudiada por Yoshihiro Tanabe y Kunihiko Kaneko en «Behavior of a Falling Paper,» Physical Review Letters 73: 1372–1375 (1994) [versión gratis], que descubrieron cinco posibles comportamientos, dos de ellos caóticos. El artículo ha sido muy citado y presenta un modelo muy sencillo que merece la pena utilizar como ilustración en un curso de dinámica no lineal y caos. Este artículo también nos ilustra uno de los grandes defectos/problemas de los investigadores modernos. No leen. No estudian el pasado. Tanabe y Kaneko omitieron entre sus referencias muchos estudios previos sobre el mismo tema, como los de Maxwell en 1854 y los de Kelvin y Kirchhoff en los 1870s. Lo bueno de la ciencia es que siempre alguien se da cuenta (L. Mahadevan, H. Aref, y S. W. Jones, «Comment on “Behavior of a Falling Paper”,» Phys. Rev. Lett. 75: 1420–1420 (1995)). Lo malo de la ciencia es que no siempre se publican este tipo de comentarios. ¿A qué viene todo esto? Acabo de leer el artículo Pedram Razavi, «On the Motion of Falling Leaves,» ArXiv, Submitted on 11 Jul 2010. Razavi se cura en salud y no comete el mismo error que Tanabe y Kaneko. Presenta referencias sobre la caída de los cuerpos que se remontan a Newton. Su objetivo es verificar los modelos teóricos anteriores utilizando experimentos. Y sus experimentos confirman muy bien la teoría presentada por Tanabe y Kaneko. Así que si usáis su artículo en un curso de dinámica no lineal, no olvidéis presentar también los resultados experimentales que lo confirman obtenidos por Razavi. También podríais pedirle a vuestros alumnos que repitieran los experimentos (grabados con webcam y analizados por ordenador pueden ser un proyecto fin de carrera o una tesina realmente reconfortantes).

Hoy en día los profesores universitarios estamos demasiado obsesionados con publicar y nos olvidamos de que nuestra labor requiere jugar y divertirse, que nuestra labor como formadores de futuros investigadores requiere que logremos que nuestros alumnos jueguen y se diviertan. Los buenos investigadores son como niños.

Como nos dice Jose Luis Castillo, «La verdadera divulgación… ¿aún lejos?,» Amazings.es, 31 de Julio, 2010: «Un científico o científica tiene incentivos para desarrollar su carrera. Lograr proyectos de investigación, formar jóvenes investigadores, lograr financiación, conseguir admisión de patentes… Y, por supuesto, publicar. Nada es ciencia hasta que no esté publicado. Y no en cualquier sitio, sino en revistas al efecto, no dirigidas a la población general sino a aquellos que trabajan en el mismo campo. Revistas con un filtro previo; en las que otros científicos leen, corrigen, juzgan y finalmente admiten el trabajo de sus compañeros y compañeras de profesión (lo que se llama revisión por pares o peer-review). [… Los científicos] no reciben ningún mérito por divulgar a la población general. A pesar de que no es fácil traducir una investigación a lenguaje asequible, hacerla llegar a través de un medio adecuado, convertirlo en un hábito… Además, muchos investigadores no creen que sea necesario, o ni siquiera se han planteado la necesidad de hacerlo, o directamente piensan que no es posible. [… Se] precisa rediseñar los méritos que un científico pueda adquirir, de modo que sea normal pensar cómo contar a la gente (claro, breve, sencillo) lo escrito en artículo para una revista.» El comentario de Sergio L. Palacios también merece la pena: «La investigación está premiada, incentivada mediante la publicación de resultados en revistas que se caracterizan por su factor de impacto. A mayor factor de impacto, mayor prestigio para la publicación y para sus autores. Si, además, el investigador trabaja en la universidad entonces puede acceder con esos méritos a los consabidos “sexenios” o tramos de investigación que se conceden por períodos de seis años permitiéndole incrementar (eso sí, de forma bastante modesta) sus ingresos. […] Yo creo que si en la universidad, que es donde yo trabajo, se crearan unos “sexenios” de divulgación (o similar) la cosa podría tender a invertir la tendencia. Al poder hacer méritos y que éstos sean remunerados equivalentemente a los méritos de investigación, los científicos podrían decidirse a descender de su poltrona hasta el nivel de la sociedad que, al fin y al cabo, es la que paga nuestros trabajos y tiene derecho a exigir que les comuniquemos debidamente los resultados obtenidos.»

Really amazing!

Comunicado oficial del detector CMS en el LHC del CERN y su espectro de dimuones

El «Comunicado de CMS para la conferencia ICHEP 2010 en París,» Ginebra, 26 de julio de 2010, ha sido publicado en diez idiomas, entre ellos, en español. Os recomiendo su lectura. Permitidme unos extractos. 

«Desde el comienzo de las colisiones a 7 TeV hace unos escasos meses (30 de marzo de 2010), nuestros equipos han operado el detector y seleccionado las mejores colisiones con una gran eficiencia; (ellos) han distribuído los datos a los grupos de análisis, esparcidos por todo el mundo y los datos han sido analizados para producir sólidos resultados con increíble velocidad. Ver estos primeros resultados me hace sentir un gran orgullo. El progreso hasta ahora ha superado las expectativas, pero el futuro nos depara nuevos desafíos a medida que dispongamos de haces con mayor intensidad y busquemos procesos aún más raros. Esto es sólo el principio.» Palabras del portavoz de CMS, Guido Tonelli.

«Para comienzos de 2011 la cantidad de datos acumulados se espera que aumente 100 veces. Llegado ese punto, CMS comenzará a seriamente resolver muchas cuestiones importantes sobre la estructura del universo a las distancias más pequeñas y escalas de energía más altas. [Esta] investigación no solo aumenta nuestro entendimiento de cómo funciona el Universo, sino que eventualmente puede convertirse en la chispa de nuevas tecnologías que cambien el mundo en el que vivimos, como ya ha ocurrido con frecuencia en el pasado.»

¿Con qué figura ilustrar esta breve entrada? No me puedo resistir a seguir los pasos de Tommaso Dorigo, «Plot Of The Week: A Lovely Dimuon Mass Spectrum,» A Quantum Diaries Survivor, July 27th 2010. Esta figura obtenida por la colaboración CMS y publicada por primera vez para el congreso ICHEP 2010 nos muestra el número de eventos que presentan una desintegración en un par de muones (una de las señales más claras que se puede observar en un detector como CMS) observados con las colisiones analizadas desde el 30 de marzo de 2010 en el LHC (corresponde a los primeros 280 inversos de nanobarn de colisiones protón-protón a 7 TeV en el centro de masas). La escala horizontal es logarítmica y corresponde a la masa del par muón-antimuón observado. La escala vertical también es logarítmica y corresponde al número de eventos observado para cada masa (se cuentan todos los eventos agrupados en ciertos intervalos). En la parte derecha observamos unas decenas de eventos que corresponden al bosón vectorial Z. El pico más claro (y más elevado) corresponde a los mesones J/Psi. Un pico «precioso» y «preciso» (ver más abajo). También se ven picos asociados a otras partículas, como los mesones Upsilon, rho, omega y phi. Todos estos picos destacan sobre un fondo de pares de muones no identificados, un ruido de fondo imposible de evitar en un colisionador de hadrones.

El descubrimiento de una partícula elemental nueva es muy fácil cuando corresponde a un pico claro sobre el fondo de ruido. Por ejemplo, esta figura os ilustra un zoom de la figura anterior (el espectro de pares de muones, dimuones, alrededor del pico alrededor de la masa del mesón J/Psi, pero en escala lineal, no logarítmica y con menos datos de colisiones, solo 40 inversos de nanobarn). El pico se observa en los datos de maravilla (tanto que Tommaso no ha podido resistirse a dedicarle una entrada «The CMS Momentum Scale From J/Psi Decays,» aQDS, July 29th 2010). De hecho, con tan pocos datos la estimación que se obtiene para la masa de esta partícula es muy parecida al mejor dato publicado hasta el momento por el PDG (Particle Data Group). Una ilustración de la gran calidad del análisis realizado. Pero para una partícula aún por descubrir (pongamos que hablo del bosón de Higgs) el pico, si es que lo hay, es muy pequeño, casi imperceptible. El pico crece conforme se acumulan más colisiones, pero con pocas colisiones el pico es imposible de distinguir del ruido. Los límites de exclusión de masa del Tevatrón para el Higgs lo que nos presentan es la probabilidad de que no haya un pico cuando en los datos no se ha observado ningún pico (en estadística es el límite de confianza para la hipótesis de que no exista la partícula). Dentro de 10 años, si el bosón de Higgs existe, podremos enseñar una figura como esta para el bosón de Higgs que nos permitirá calcular con gran precisión su masa. Será una figura obtenida gracias al LHC del CERN. Pero hasta entonces lo que vamos a ver del Higgs es como la parte de la figura entre 2.6 y 2.8 (o entre 3.3 y 3.6), fluctuaciones que pueden indicar la existencia de algo interesante o que son meros espurios estadísticos sin mayor significación.

Los cinco candidatos a bosón de Higgs observados en el experimento CDF del Tevatrón

He encontrado la «foto» de los cinco eventos candidatos a bosón de Higgs de masa igual a 115 GeV/c² observados en el Tevatrón en una de las charlas presentadas en el congreso «Higgs Hunting. Discussions on Tevatron and first LHC results,» July 29-31, 2010, Orsay, France. En concreto en la de Tom Junk (Fermilab), «Statistical Techniques for Combining Tevatron. Higgs Boson Searches,» Higgs Hunting, 29 July 2010. También usaré figuras de la charla de Richard E. Hughes (Ohio State University, for The CDF and D0 Collaborations), «Low Mass SM Higgs Search at the Tevatron,» Higgs Hunting, 29 July 2010 [ppt]. Mi idea es explicar dichas «fotos» en un lenguaje llano y sencillo, aunque supondré que el lector conoce el zoo de partículas del modelo estándar así como algunos rudimentos de física de partículas.

Tres de los eventos candidatos a Higgs observados en el Tevatrón del Fermilab corresponden a la producción de un Higgs en el canal ZH→llbb (un canal es un modo de desintegración), véase la figura de la izquierda. En el Tevatrón colisionan un protón contra otro un antiprotón. En este canal colisionan un quark del protón y un antiquark del antiprotón, produciendo un bosón vectorial Z de alta energía (Z* en la figura de la izquierda), que se desintegra rápidamente en un par ZH, es decir, otro bosón vectorial Z con menor energía y un bosón escalar de Higgs (ambas son partículas neutras). El bosón vectorial Z se desintegra limpiamente en un par de leptones (un leptón y un antileptón). El bosón escalar de Higgs (H) se desintegra en un par quark-antiquark de tipo bottom, es decir, un quark b y un antiquark b. 

¿Qué es lo que se observa en los detectores del experimento CDF del Fermilab en una desintegración ZH→llbb como la anterior? Para los dos leptones en los que se desintegra el bosón vectorial Z todo depende de qué tipo de leptones se trate. Si son dos muones (electrones pesados de segunda generación) se observan muy fácilmente en los calorímetros más externos de los detectores (los muones a velocidades relativistas recorren varios metros antes de desintegrarse). Si son dos electrones se observan en unos detectores intermedios por ionización de un gas (argón en CDF) a distancias menores a un metro y pico del punto de colisión. Finalmente, si los dos leptones son dos neutrinos no es posible detectarlos directamente. En el análisis por ordenador de la colisión se observa cierta pérdida de energía y de momento (MET), que se lleva cada uno de los neutrinos. Hoy en día es posible reconstruir la trayectoria de los neutrinos gracias a esta energía y este momento perdidos. ¿Cómo se observa el par quark-antiquark tipo bottom? Estos quarks son inestables y se desintegran rápidamente en otras partículas de menor masa, que a su vez se desintegran en partículas de masa aún menor y así sucesivamente. El resultado es que los dos quarks b producen sendos chorros de partículas (jets). La figura de la derecha muestra lo que se observa en los detectores: dos leptones que se mueven en dirección opuesta a dos chorros de partículas.

El primer evento candidato a Higgs observado en CDF Run II nos presenta una desintegración muy clara de tipo llbb en la que los dos leptones son un par de muones y los dos chorros de partículas tienen una energía total comparable a la masa de un Higgs de 115 GeV/c². Las líneas azul celeste de la parte superior corresponden a los dos muones, que se mueven a velocidades ultrarrelativistas ya que tienen momentos de 151 GeV/c y 54’8 GeV/c (hay que recordar que un muón tiene una masa de solo 0’106 GeV/c²). En la parte inferior se observan los dos chorros de partículas, líneas rojas y verdes, con un momento promedio de 87’5 GeV/c y 88’0 GeV/c, respectivamente. El energía total de ambos chorros de partículas equivale a una masa de 113’06 GeV/c², que sería una estimación aproximada para la masa del candidato a bosón de Higgs en esta desintegración. Hay cierta incertidumbre en esta masa ya que hay cierta pérdida de energía (MET), aunque es pequeña, solo de unos 8’52 GeV. ¿Cuál es la probabilidad de que este evento candidato a Higgs sea realmente un evento tipo Higgs? Para la hipótesis de que el bosón de Higgs tiene una masa en reposo de 115 GeV/c², hay una probabilidad de 0’42 de que este evento corresponda a un Higgs (valor que aparece en la figura como S/B @ 115). Esto quiere decir que el 42% de los eventos de este tipo que se observan en el detector CDF se espera que correspondan al bosón de Higgs predicho por el modelo estándar si el bosón de Higgs existe y tiene una masa de 115 GeV/c². Si se descubre en los próximos años que el bosón de Higgs tiene esta masa, este evento será un ejemplo de libro de un evento tipo Higgs en el canal ZH→llbb. Obviamente, si el Higgs no existe o tiene una masa mayor, este evento será una mera anécdota.

El segundo evento candidato a Higgs observado en CDF Run II también nos presenta una desintegración muy clara de tipo llbb en la que también los dos leptones son muones. En este caso los dos chorros de partículas tienen una energía que corresponde a un masa total de 115’98  GeV/c² comparable a la masa de un Higgs de 115 GeV/c² aunque solo con una probabilidad de 0’42 (igual que en el caso anterior) porque hay una pérdida de energía (MET) de 10’9 GeV. Lo repito, a pesar de parecer pesado, para que quede muy claro, el 42% de los eventos de este tipo que se observan en el detector CDF se espera que correspondan al bosón de Higgs predicho por el modelo estándar si el bosón de Higgs existe y tiene una masa de 115 GeV/c². Las líneas azul celeste de la parte inferior izquierda corresponden a los dos muones, que se mueven a velocidades ultrarrelativistas ya que tienen momentos de 115’4 GeV/c y 41’5 GeV/c. En la parte derecha se observan los dos chorros de partículas, líneas rojas y verdes, con un momento promedio de 103’8 GeV/c y 56’5 GeV/c, respectivamente. El energía total de ambos chorros de partículas equivale a una masa de 115’98 GeV/c². De nuevo estamos ante un ejemplo de libro de un evento tipo Higgs en el canal ZH→llbb. Obviamente, si el Higgs no existe o tiene una masa mayor, este evento también será una mera anécdota.

El tercer evento candidato a Higgs observado en CDF Run II también nos presenta una desintegración muy clara de tipo llbb en la que también los dos leptones son muones. En este caso los dos chorros de partículas tienen una energía total comparable a la masa de un Higgs de 125 GeV/c², por lo que para la hipótesis de que el bosón de Higgs tenga una masa en reposo de 115 GeV/c², solo hay una probabilidad de 0’25 de que este evento corresponda a un Higgs. Otra vez, para que me llaméis pesado, el 25% de los eventos de este tipo que se observan en el detector CDF se espera que correspondan al bosón de Higgs predicho por el modelo estándar si el bosón de Higgs existe y tiene una masa de 115 GeV/c². Las líneas azul celeste de la parte izquierda corresponden a los dos muones, que se mueven a velocidades ultrarrelativistas ya que tienen momentos de 102’1 GeV/c y 54’8 GeV/c. En la parte derecha se observan los dos chorros de partículas, líneas rojas y verdes, con un momento promedio de 124’9 GeV/c y 29’0 GeV/c, respectivamente. El energía total de ambos chorros de partículas equivale a una masa de 126’44 GeV/c², que sería una estimación aproximada para la masa del candidato a bosón de Higgs en esta desintegración, aunque como hay una pérdida de energía (MET) de unos 10’12 GeV, este evento también podría corresponder a un Higgs con una masa de 115 GeV/c² (eso sí, con menor probabilidad que en el caso anterior).

Los dos eventos siguientes, que también se han clasificado como eventos candidatos a bosón de Higgs con una masa de 115 GeV/c², corresponden a un canal de desintegración diferente y ya fueron observados el verano pasado (2009). Son eventos más sucios porque entre los productos de desintegración se encuentra un neutrino y además los investigadores no han limpiado la figura, es decir, no han borrado las trayectorias de las partículas que se observan pero que no están involucradas en la desintegración del Higgs (algo que sí se ha hecho en las 3 figuras anteriores).

Estos dos eventos están asociados al canal WH→lνbb, véase la figura de la izquierda. Recapitulemos, en el Tevatrón colisionan un quark de un protón y un antiquark de un antiprotón, produciendo un bosón vectorial W de alta energía (W* en la figura de la izquierda), que se desintegra rápidamente en un par WH, es decir, otro bosón vectorial W con menor energía y un bosón escalar de Higgs (H). El bosón vectorial W se desintegra en un neutrino y un leptón (electrón o muón). El bosón escalar de Higgs (H) se desintegra como en el canal de los eventos anteriores en un par quark-antiquark de tipo bottom, es decir, un quark b y un antiquark b. ¿Qué es lo que se observa en el experimento CDF del Fermilab? Se observará un pérdida de energía grande (asociada al neutrino), un leptón (los eventos más interesantes serán en los que se trata de un muón) y dos chorros de partículas de alta energía (del orden de magnitud de la masa del Higgs). Los dos eventos candidatos en este canal son los siguientes. El formato de las imágenes es diferente y las he presentado en un tamaño más pequeño (que podéis ampliar pinchando con el ratón en dichas imágenes). En mi opinión son eventos menos interesantes, aún así creo que merece la pena presentarlos aquí. 

En el primero de estos eventos (figura de arriba) la pérdida de energía asociada al neutrino es de 55’8 GeV (ver letras en rojo sobre fondo negro a la izquierda). Se trata de un neutrino muy energético y que por tanto tiene que estar producido por una partícula muy masiva. El leptón (muón) tiene un momento de 86’7 GeV/c (ver letras en verde sobre fondo negro en la parte central). En este evento se observan también otras partículas de momento muy pequeño (en la figura se presentan 3 de ellas con momentos 6’5, 4’9 y 2’9 GeV/c, ver letras en verde en la parte central). En este evento se observan 3 chorros de partículas con energías de 89’6 , 80’8 y 68’7 GeV. Este evento se interpreta como un ejemplo del canal WH tomando en consideración el neutrino, el leptón y los dos chorros más energéticos (la energía de dichos chorros es de 87’32 GeV). El otro chorro y las otras partículas se asocian a un vértice (colisión) secundaria. La parte izquierda de la figura es un diagrama tipo lego con datos de los calorímetros y es un diagrama bastante sucio porque no se han filtrado las partículas de poca masa que se observan (estas partículas pueden ser rayos cósmicos o productos de colisiones (vértices) secundarias sin mayor interés). La parte derecha de la figura muestra un diagrama como el de los anteriores eventos, pero no sin haber realizado el proceso de limpieza de las trayectorias de las partículas menos energéticas lo que ensucia bastante lo que se ve en la figura.

El último evento que vamos a presentar es otro evento asociado a la producción de un Higgs en el canal WH→lνbb. La energía asociada al neutrino (Missing Et) es de 65’1 GeV. El leptón (muón) más energético tiene un momento de 91’4 GeV/c (se presentan también los momentos de 4 partículas adicionales todas con un momento menor de 18’3 GeV/c). También se observan tres chorros de partículas con energías de 140’8 , 93’8 y 33’9 GeV. Este evento se interpreta como un ejemplo del canal WH tomando en consideración el neutrino, el leptón y los dos chorros más energéticos que tienen una energía promedio de 106’67 GeV. Como en el evento anterior, el otro chorro y las otras partículas se asocian a un vértice (colisión) secundaria. 

Y para acabar quisiera recordar que estas imágenes de eventos incluyen bastante información que no hemos comentado ya que mi interés es destacar que son candidatos razonables a bosón de Higgs de una masa de 115 GeV/c² y no entrar en más detalles técnicos sobre la interpretación detallada de estas figuras. Con la luminosidad instantánea (número de colisiones por segundo) actual del Tevatrón se estima que se produce un bosón de Higgs en una colisión de cada billón (con «b») de colisiones. No todas estas colisiones son almacenadas en disco ya que se aplica un proceso de discriminación estadística de colisiones que selecciona las más prometedoras. Esto significa, grosso modo, que se observan unos dos bosones de Higgs al año en los datos alamcenados en disco en el experimento CDF del Tevatrón. Por tanto, dentro de unos 6 meses tendremos algún evento adicional candidato a bosón de Higgs y para finales de 2011 como mínimo tendremos unos 3 más. La búsqueda el Higgs en el Tevatrón es un proceso que requiere mucha paciencia, pero todos sabemos que la paciencia es la madre de la ciencia.

Las empresas farmacéuticas afirman que no pueden asumir todos los costos para el desarrollo y aprobación de nuevos fármacos

El costo de desarrollar y aprobar un nuevo fármaco crece y el número de nuevos fármacos aprobados decrece. (C) Science

Los expertos en la industria farmacéutica lo tienen claro: El modelo actual de desarrollo de fármacos, en el que las empresas asumen todos los riesgos y los costos de la búsqueda de nuevos fármacos, desde el tubo de ensayo a los estudios clínicos, ya no es viable. Muchas compañías están tratando de reducir costos mediante la subcontratación de la I+D a empresas de biotecnología y a grupos de investigadores académicos. En un acuerdo típico la empresa financia un proyecto de investigación a cambio del derecho de explotación en exclusiva de todos los fármacos que muestren potencial terapéutico. Muchas compañías farmacéuticas prefieren modificar ligeramente medicamentos ya aprobados cuya patente está a punto de expirar, para volver a solicitarla, en lugar de desarrollar nuevos fármacos más eficaces. La inversión en proyectos innovadores está cayendo, pero los gobiernos están focalizando su atención en promocionar la búsqueda de fármacos para enfermedades raras. Según los expertos en la industria farmacéutica se necesita un nuevo modelo en el que los sectores público y privado actúen en pie de igualdad. También se necesitan nuevas medidas que aceleren el proceso de desarrollo y aprobación de fármacos. Muchas compañías privadas tienen bases de datos con miles de compuestos que han descartado porque aunque son prometedores no se han considerado rentables. La iniciativa pública podría recoger el testigo pero las compañías necesitan una recompensa por colaborar. Nos lo cuenta en bastante detalle Greg Miller, «Is Pharma Running Out of Brainy Ideas? Recent cutbacks raise concerns about the future of drug development for nervous system disorders,» News Focus, Science 329: 502-504, 30 July 2010.

Un programa de ordenador genera chistes «graciosos» para ayudar a niños con parálisis cerebral

«¿Qué obtienes cuando cruzas una bebida y un dragón? Un vinosaurio.» ¿Te ha hecho gracia? Este chiste no está pensado para tí. Está pensado para niños con parálisis cerebral severa que se comunican a través de un ordenador con un sintetizador de voz. Más de diez años de trabajo han sido necesarios para desarrollar un programa de ordenador llamado «The Joking Computer» que genere frases chocantes que provocan en los niños la necesidad de plantearse las reglas semánticas que subyacen al lenguaje. Los niños disfrutan y aprenden al mismo tiempo. El programa genera juegos de palabras a partir de las definiciones de un diccionario y ciertas reglas básicas de afinidad fonética. Según los autores, el programa genera automáticamente chistes de calidad similar a los que aparecen en los libros de bromas y adivinanzas para niños. El programa está disponible vía web. Realmente curioso. Visto en Lauren Schenkman, «You’re Funny, HAL,» Random Samples, Science 329: 495, 30 July 2010.

En busca de financiación para el Tevatrón del Fermilab y en busca de una buena excusa para los políticos

El colisionador de hadrones del Laboratorio Nacional Fermi (Fermilab) en Batavia, Illinois, cerca de Chicago, reclama financiación para seguir funcionando durante tres años más, hasta 2014. Si el Tevatrón no la recibe tendrá que clausurar en diciembre 2011. ¿Para qué mantener en funcionamiento el Tevatrón si el LHC del CERN ya está en marcha y le ganará por goleada el próximo año? Porque la goleada no será como la de España a Malta. Está planificado que el LHC se apague durante unos 15 meses para ser sometido a una intensa reparación durante el año 2012. Las colisiones volverán en 2013, si todo va bien, a 14 TeV en el centro de masas pero el proceso de encendido de la máquina, calibrado de los detectores e incremento de su luminosidad hará que no obtenga resultados interesantes hasta 2014, como pronto. Con financiación el Tevatrón se mantendrá en funcionamiento durante todo este tiempo recabando datos, entre otras cosas, para la búsqueda del bosón de Higgs. Gracias al editor del libro de Leon Lederman, en un país que confía en «God» hasta en sus billetes, los físicos del Tevatrón quieren convencer a los congresistas de que los 100 millones de dólares que costaría mantener en funcionamiento el Tevatrón hasta 2014 merecen la pena. Nos lo cuenta, como no, Adrian Cho, «High Energy Physics: Fermilab Physicists Don’t See Higgs, Argue They Should Keep Looking,» News of the Week, Science 329: 498-499, 30 July 2010.

¿Tienen miedo de perder su puesto de trabajo los físicos que trabajan en el Tevatrón? Actualmente trabajan en DZero unos 500 físicos e ingenieros, y en CDF unos 600. No irán a la calle si se clausura el Tevatrón. Fermilab ya tiene concedidos 260 millones dólares para el experimento de neutrinos llamada NOvA y está desarrollando planes para otros proyectos, como nos recuerda Young- Kee Kim, subdirector del Fermilab. Gran parte del personal del Tevatrón se reciclará en estos proyectos. Incluso habrá que contratar a nuevos físicos e ingenieros. ¿Es caro 100 millones de dólares para mantener el Tevatrón sabiendo que seguramente perderá la batalla contra el LHC en la búsqueda del Higgs? Muchos físicos creen que ambas instalaciones en paralelo se complementarán de maravilla en los próximos 2 o 3 años. Sin embargo, los contribuyentes americanos son los que van a tener que pagarse el lujo. Muchos congresistas creen que un cheque por 100 millones de dólares a fondo perdido para una instalación «perdedora» no es de recibo en época de crisis. Muchos físicos del Fermilab creen que la batalla por la financiación adicional está perdida. Confiamos en Obama. Pero Obama también sabe apretarse el cinturón.

BTW el fotograma de Rocky IV es una chorrada como cualquier otra. El Fermilab sería Rocky, menos poderoso que el superatleta ruso, que representa al CERN. Se me ha ocurrido esta chorrada pero no he sido el primero.

Los talibanes derribaron los budas de Bāmiyān y ahora los chinos quieren derribar un monasterio afgano en busca de cobre

En 2001 el gobierno talibán afgano decretó que los budas de Bāmiyān eran ídolos y contrarios al Corán. Fueron derribados pese a sus 1500 años de antigüedad. Una compañía minera china quiere explotar una enorme mina de cobre al sur de Kabul. Para ello tiene que destruir un monasterio budista con piezas bajo estudio de arqueólogos afganos y franceses. Más de 100 estatuas dentro de un gran complejo religioso que incluye siete estupas (monumentos funerarios). La demolición es inminente. Los arqueólogos que las estudian han solicitado al gobierno francés y otros gobiernos internacionales que intervengan para evitarlo en su charla en la Vienna EASAA 2010 Conference (European Association for South Asian Archaeology and Art, 4–9 July 2010). El gobiertno afgano afirma que la decisión deberá ser tomada por el presidente, Hamid Karzai, sin intervención internacional posible. ¿Quién primará el beneficio histórico para la humanidad o el beneficio económico para un gobierno y una gran empresa? Nos lo cuenta Andrew Lawler, «Archaeology: Copper Mine Threatens Ancient Monastery in Afghanistan,» News of the Week, Science 329: 496-497, 30 July 2010.

Los planes indicaban que el monasterio sería dinamitado en abril de este año. La demolición ha sido pospuesta pero no cancelada. El gobierno de los EEUU y sus aliados está presionando al nuevo gobierno afgano para que acepte inversiones extranjeras en Afganistán. Un estudio del Ministerio de Defensa de EEUU publicado el 14 de junio afirmó que el este de Afganistán esconcde bajo tierra más de un billón de dólares en recursos minerales (cobre, hierro, cobalto y litio). Los geólogos estiman que la mina que se va explotar al sur de Kabul esconde el segundo mayor depósito del mundo de cobre. La corporación china que lo va a explotar firmó en 2008 un contrado de explotacíoin de Mes Aynak por 3000 millones de dólares, el contrato minero más lucrativo de la historia afgana.

El monasterio de Mes Aynak, 40 km.  al sur de la capital afgana, es un complejo arqueológico con 4500 metros cuadrados descubierto en los 1960. Nunca fue excavado. Durante los 1990 fue un campo de entrenamiento de Al Qaeda. En los últimos años , los saqueadores han dañado la mayor parte del monasterio en busca de antigüedades. Las excavaciones del equipo afgano-francés de arqueólogos se iniciaron el verano pasado. El monasterio floreció entre el s. II A.C. hasta el s. VI D.C., aunque fue poblado hasta el s. IX D.C. Se ha encontrado en el yacimiento un Buda de 5 metros de largo y decenas de Budas de piedra y madera.

Los geólogos estiman que hay 13 millones de toneladas de cobre en Mes Aynak. Las autoridades afganas estiman que los chinos extraerán unos 200 mil toneladas de cobre anuales y proporcionarán a Afganistán unos ingresos anuales de 400 millones de dólares. Las esperanzas del director del grupo de arqueólogos se diluyen: «El tiempo se acaba. Este lugar va a ser destruido en pocos meses. Hay que actuar con urgencia.»