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.