Se publica la búsqueda del bosón de Higgs con el mayor número de colisiones hasta el momento

Esta búsqueda apunta a un bosón de Higgs ligero entre 114 y 120 GeV/c² (aunque la evidencia aún es pobre). El experimento DZero del Tevatrón en el Fermilab acaba de publicar su último resultado en relación a la búsqueda de un bosón de Higgs ligero en el canal de desintegración más prometedor (en el LHC del CERN), la desintegración de un Higgs en dos fotones (canal difotónico), h→γγ+X. Se han utilizado la friolera de 8’2 /fb (léase inversos de femtobarn) de colisiones protón-antiprotón a 1’96 TeV c.m., es decir, todas las colisiones que se han recopilado entre abril de 2002 y diciembre de 2010. Por ahora es el récord de colisiones utilizado en una búsqueda del Higgs. Como es obvio, si no habría sido anunciado a bombo y platillo, aún no se ha encontrado el Higgs. La evidencia que apunta a que tiene una masa baja es de 2 sigma, es decir, podría ser sólo una fluctuación estadística. Aún así es una gran noticia saber que el Tevatrón sigue ofreciendo resultados interesantes en la búsqueda del Higgs. El artículo técnico para los interesados es The DZero Collaboration, “Search for the Standard Model Higgs Boson in γγ+X final states at DZero using 8.2 /fb data,” DZero, Fermilab, March 9, 2011.

El bosón de Higgs es la última pieza (y una pieza clave) en el modelo estándar de las partículas elementales que queda aún por descubrir. Forma parte del mecanismo de Higgs para la ruptura espontánea de la simetría electrodébil, un hecho experimental probado fuera de toda duda. El mecanismo de Higgs utiliza cuatro campos escalares, tres de los cuales se sabe que existen (ya que los bosones vectoriales W+, W y Z0 tienen masa) y el cuarto corresponde a una partícula aún no observada. Pocos dudan de su existencia y que será el primer gran descubrimiento del LHC del CERN (muchos deseamos que no sea el único). Las búsquedas directas y los resultados de precisión sobre los parámetros de la teoría electrodébil indican que el bosón de Higgs tiene una masa entre 114’4 y 185 GeV/c² con una certeza del 95% C.L. Más aún, la combinación de las búsquedas de los dos experimentos del Tevatrón, llamados CDF y DZero, excluye un bosón con una masa entre 158 y 175 GeV/c² al 95% C.L. Los intervalos de exclusión del Tevatrón + LEP para la masa del Higgs se resumen en la siguiente figura.

Me gustaría destacar que esta figura es más optimista de la cuenta (utiliza sólo evidencia experimental consistente con la teoría). De hecho, la evidencia teórica apunta a un bosón de Higgs ligero en el intervalo de 114 y 120 GeV/c². La mayoría de los físicos de partículas creen que el bosón de Higgs será descubierto en los próximos años sin lugar a dudas con una masa en dicho intervalo, es decir, creen que ya conocemos la masa del bosón de Higgs con un error menor del 10%.

A veces se escucha que “muchos” físicos afirman que hay dudas sobre si el bosón de Higgs existe o no, pero la situación en la actualidad es similar a la situación de la búsqueda del quark top alrededor de 1990. La mayoría de los físicos teóricos pensaban que el quark top existía y no tenían dudas al respecto, sin embargo, se habían publicado múltiples versiones del modelo estándar en las que el quark top no existía (todas ellas han sido olvidadas). Hoy en día, aunque hay algunos modelos teóricos que permiten que el bosón de Higgs no exista y el modelo estándar explorado hasta ahora cambie poco, la gran precisión con la que se han medido los parámetros de la teoría electrodébil, de la que el Higgs es una parte fundamental, indican que no se pueden tener dudas serias sobre la existencia de esta partícula. Cuando se descubra el Higgs todas las teorías sin Higgs serán olvidadas. En mi opinión, hoy en día, poner en duda la existencia del Higgs es similar a poner en duda que las interacciones débil y electromagnética están unificadas en la interacción electrodébil.

El canal difotónico para la desintegración de un bosón de Higgs ligero es el más prometedor, aunque su probabilidad es baja (en teoría sólo el 0’22% de los bosones de Higgs se desintegran de esta forma para una masa de 130 GeV/c²). Sin embargo, la señal para este tipo de desintegración es muy limpia y fácil de observar en los detectores (tanto en el Tevatrón como en el LHC). El nuevo resultado, ver la figura que abre esta entrada, puede ser comparado con el resultado anterior publicado por DZero para el mismo canal, pero con sólo 4’2 /fb de colisiones (más o menos la mitad de colisiones), ver figura de más abajo; el resultado fue publicado hace dos años en The DZero Collaboration, “Search for the Standard Model Higgs Boson in γγ final states at DZero with L = 4’2 /fb data,” DZero, Fermilab, February 24, 2009.

Comparando ambas figuras (no hay que ser un experto para hacerlo) se observa que el doble de colisiones ha mejorado el resultado, aunque no excesivamente (o no tanto como a mí me gustaría). Bueno, no seamos pesimistas, la mejora es buena en el sentido de que los valores se han reducido en un 70% cuando la luminosidad sólo ha crecido un 40%, luego el resultado es algo mejor de lo esperado (así opinan los autores del artículo técnico en sus conclusiones). Este 30% es debido a las mejoras en las técnicas de análisis multivariable (MVA) de los datos utilizadas. Hay que recordar que en estas figuras que comparan los datos observados con las predicciones del modelo estándar, si el valor del eje vertical es menor que 1 para cierto valor de la masa (eje horizontal) se considera que se puede excluir un bosón de Higgs con dicha masa. Como muestran ambas figuras, el canal difotónico en el Tevatrón no permite excluir, por sí solo, ningún intervalo de masa para el Higgs (en el LHC del CERN se espera que sí pueda hacerlo tras acumular todos los datos de las colisiones de 2011 y 2012), ya que los valores no descienden de 9’5. Comparando ambas figuras también se observa que en el resultado de 1999 no había evidencia de un bosón de Higgs con una masa entre 110 y 120 GeV, evidencia que se apunta clara en el nuevo resultado. Por supuesto, la probabilidad de dicha evidencia (un valor a 2 sigma de evidencia significa un 95% de probabilidad) es muy baja para los estándares en física de partículas y podría ser una mera fluctuación estadística; basta recordar que a mediados de los 1980 se anunció el descubrimiento del quark top en el CERN con una evidencia mayor que ésta, pero que luego desapareció como por arte de magia (el top era cinco veces más pesado de lo observable en aquella época).

En resumen, un avance interesante en la búsqueda del Higgs, que apunta ciertas evidencias sobre un Higgs ligero, pero que podrían ser como nubes en el cielo que parecen conejos y chisteras. Lo parecen pero no se esconde ningún conejo en la chistera.

Publicado en Nature: Un oscilador electromecánico híbrido que abre una vía al estudio de la transición entre lo cuántico y lo clásico

El mundo microscópico de la física cuántica y el macroscópico de la física clásica están separados por una barrera fascinante, la transición cuántico-clásica. ¿Existe el mundo mesoscópico o esta transición es brusca? Si se permite que cambie cierta propiedad de un sistema cuántico, ¿cuándo el cambio en dicha propiedad provoca que el sistema deje de ser cuántico y pase a ser clásico? Y lo mismo al revés. Tomemos un ejemplo, la masa. Richard Feynman especuló en 1962 en un curso de gravitación sobre la posibilidad de que la transición entre el mundo clásico y el mundo cuántico estuviera mediada por la masa total del sistema. Un objeto cuántico de masa creciente acabaría transformado en un objeto clásico. Según Feynman, una solución natural a la paradoja del gato de Schrödinger. ¿Cuál es la masa crítica en la que se produciría esta transición? Feynman especuló que podría ser la masa de Planck, la única masa que se puede escribir utilizando la constante de gravitación de Newton, la velocidad de la luz y la constante de Planck (unos 0’01 miligramos). ¿Existen sistemas cuánticos con un masa total mayor de 0’01 miligramos? ¿Se puede estudiar mediante experimentos la transición entre lo cuántico y lo clásico conforme la masa crece en un sistema concreto? Según Miles Blencowe, “Quantum mechanics: A light sounding drum,” Nature 471: 168–169, 10 March 2011, se ha dado un primer paso importante en este sentido en el artículo de J. D. Teufel et al., “Circuit cavity electromechanics in the strong-coupling regime,” Nature 471: 204–208, 10 March 2011.

Teufel et al. han desarrollado un “tambor” (oscilador mecánico) circular de 15 micrómetros de diámetro y 100 nanómetros de grosor que vibra a 11 MHz (millones de ciclos por segundo). El tambor circular tiene un doble propósito, sirve como oscilador mecánico y como oscilador electromagnético (un circuito RLC). El tambor actúa como una capacitancia eléctrico de placas paralelas (separadas por espacio vacío) y está conectado a una inductancia (un circuito cerrado en forma de espiral cuadrada). La figura que abre esta entrada ilustra el circuito (la resistencia es debida a la propia del material que constituye estos elementos). Este oscilador electromagnético RLC puede oscilar a una frecuencia de 7 GHz (miles de millones de ciclos por segundo). Gracias a este comportamiento dual del sistema, como oscilador mecánico y como oscilador eléctrico, se produce un acoplamiento fuerte entre ambas oscilaciones; de hecho, no se observa diferencia alguna entre ambos osciladores, que actúan como un sistema híbrido electromecánico. En implementaciones previas de esta idea por parte de otros autores se usaron dos osciladores separados e independientes que sólo se pudieron acoplar de forma débil debido a su diferente naturaleza.

Para observar las propiedades cuánticas de este sistema electromecánico híbrido hay que enfriarlo a temperaturas muy próximas al cero absoluto para que el sistema vibre en su estado fundamental y/o se pueda observar la superposición cuántica de sus primeros estados de vibración (el fundamental y el siguiente). Aún no se ha logrado. Además para observar este comportamiento cuántico sería necesario acoplar este sistema híbrido a un qubit superconductor que permitiera medir sus propiedades cuánticas mediante entrelazamiento mutuo. Para Miles Blencowe estos logros están al alcance de los investigadores en los próximos años.

¿Qué han logrado Teufel et al. para merecer una publicación en la prestigiosa Nature? Han podido enfriar su sistema híbrido sólo a unas centésimas de Kelvin y han podido observar propiedades clásicas de estes sistema que muestran el acoplamiento fuerte entre ambos modos de oscilación (eléctrico y mecánico) de este sistema mesoscópico cuya masa (una décima de billonésima de kilograma) es aún muy pequeña para considerar la posibilidad de realizar el experimento propuesto por Feynman. Sin embargo, Miles Blencowe sueña con que algún día este concepto experimental permita explorar la transición entre lo cuántico y lo clásico. Habrá que estar atentos en los próximos años a los progresos experimentales en esta interesante línea de investigación.