Explicación de la primera figura de exclusión de masa para el bosón de Higgs con datos de 2011 del LHC en el CERN

Esta figura preliminar presenta la búsqueda del Higgs del modelo estándar en el canal H→ZZ, el más prometedor para un Higgs de gran masa, obtenida en la colaboración CMS del LHC en el CERN tras analizar entre 0,2 y 0,9 /fb de colisiones (según la masa). La figura excluye un Higgs con una masa entre 300 y 400 GeV/c², mostrando que el LHC del CERN permite explorar un rango de masas para el Higgs muy por encima del permitido por el Tevatrón del Fermilab. Más abajo explico esta figura en detalle, ya que dentro de un par de semanas se publicarán los primeros resultados oficiales sobre la búsqueda del bosón de Higgs con datos de colisiones de 2011 en el LHC del CERN que combinarán varios canales de búsqueda, así como los resultados combinados de los dos grandes experimentos del LHC, llamados ATLAS y CMS. Hasta entonces aparecerán en blogs y seminarios varios resultados  preliminares, como éste que ha aparecido en un seminario el 8 de julio y del que se ha hecho eco Philip Gibbs en “Higgs Exclusions at 900/pb,” viXra log, 9 July 2011. La figura muestra la gran ventaja del LHC sobre el Tevatrón para grandes valores de la masa, debido a sus colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. en lugar de las colisiones protón-antiprotón a casi 2 TeV c.m. El otro gran experimento del LHC, ATLAS, publicará pronto una figura similar para el mismo canal. Se observan varios excesos por encima de 2 sigma alrededor de 114, 125 y 205 GeV/c² (más o menos, pues la escala horizontal logarítmica parece “estirada”), pero seguro que su origen son fluctuaciones estadísticas debido a que el número de colisiones analizado depende de la masa (de ahí que el intervalo de colisiones analizado sea tan amplio como de 0,2 a 0,9 /fb). Si no lo son, los resultados de ATLAS deberían presentar las mismas características. Aún así, algunos impacientes ya han especulado que se observan “señales” de múltiples bosones de Higgs, como los predichos por la supersimetría (ver Lubos Motl, “CMS after 0.9/fb: Higgs preferred at 115, 140, 205 GeV,” TRF, 9 July 2011).

Una explicación de la figura es de rigor para los que no estén familiarizados con este tipo de diagramas, que serán muy numerosos este verano (CDF, DZero, CDF+DZero, ATLAS, CMS, ATLAS+CMS, etc.). La figura considera uno de los canales de desintegración más prometedores en la búsqueda del bosón de Higgs del modelo estándar, la desintegración de un Higgs en un par de bosones débiles Z, es decir, H→ZZ; por encima de una masa de 200 GeV/c² es el canal de búsqueda preferido, pues aunque es algo menos probable que el canal H→WW, es mucho más fácil de distinguir respecto a los sucesos de fondo; de hecho, por encima de 130 GeV/c² también es un canal muy prometedor. Sólo para una masa muy baja, entre 114 y 125 GeV/c², el canal de búsqueda preferido es otro, la desintegración en dos fotones, H→γγ, muy poco probable pero muy fácil de indentificar. Hay muchos otros canales de desintegarción del Higgs y las figuras “buenas” son las que combinan muchos canales (a ser posible todos los observables) y muchos datos de colisiones (el mayor número de inversos de femtobarn (fb−1, /fb o ifb) posibles).

Para cada posible valor de la masa del bosón de Higgs, el modelo estándar predice de forma unívoca su tasa de producción, el número exacto de bosones de Higgs que se producen en las colisiones protón-protón del LHC y cuántos de ellos se desintegran de cada manera posible (cada canal de desintegración). Esta figura indica el número de eventos tipo Higgs en el canal H→ZZ observados en el experimento CMS del LHC respecto al número de eventos de este tipo que se esperaría observar según la predicción teórica del modelo estándar. La figura muestra la sección eficaz de producción en dicho canal, más o menos, el número de eventos de este tipo que se observan en un detector de cierta área efectiva dividido entre el número total de eventos posibles. En esta figura un número 0,1 significa que cuando se espera observar 10 bosones de Higgs no se ha observado ninguno. Un valor de 10 significa que es necesario analizar 10 veces más colisiones de los disponibles para observar un bosón de Higgs, es decir, que se espera observar 0,1 bosones. Por tanto, los valores experimentales por debajo de la línea roja (colocada en un valor de 1) indican valores de la masa para los que habría que haber observado el Higgs y no ha sido observado, es decir, excluyen un Higgs con dicha masa. Los valores por encima de 1 indican que habrá que esperar al análisis de más colisiones. Por supuesto, estos resultados son estadísticos y puede haber fluctuaciones en estos resultados conforme se recaben más datos experimentales.

Más en detalle. Para un número dado de colisiones el modelo estándar predice la sección eficaz de producción de un canal de desintegración para el Higgs (la línea discontinua en la figura), que se puede comparar con el valor de la sección eficaz predicho por el modelo estándar, que en esta figura está normalizado a la unidad (línea horizontal roja). El análisis del número de los eventos candidatos a una desintegración concreta (en este caso la desintegración en dos bosones Z) corresponde a la línea continua negra con cuadraditos. Si esta línea está por debajo de la línea roja para cierta masa significa que habría que haber observado el bosón de Higgs con dicha masa y no se ha observado, por lo que se excluye (con una probabilidad del 95% C.L.) que el bosón de Higgs tenga dicha masa. Cuanto más baja esté la línea negra continua respecto a la línea roja más probable es que el Higgs no tenga dicha masa.

¿Por qué Lubos Motl especula que hay señales de bosones de Higgs supersimétricos en esta figura? La comparación entre la línea discontinua (predicción teórica para el bosón de Higgs del modelo estándar) y la línea continua con cuadraditos (resultado experimental observado) puede ser indicativo de posibles desviaciones respecto al modelo estándar, como las predichas por otras teorías como el modelo mímimo supersimétrico. La línea discontinua (predicción teórica) viene acompañada de una banda con colores de la bandera brasileña. La banda verde indica dispersiones dentro de una desviación estándar y la banda amarilla dentro de dos desviaciones estándares. Si la línea continua con cuadritas se desvía más de 3 desviaciones estándares respecto a la línea discontinua eso indica que podría haber algo más allá del modelo estándar (una señal de algo interesante). Si se desviara unas 5 desviaciones estándares sería un descubrimiento para Premio Nobel. En la figura aparecen desviaciones muy claras por encima de 2 sigma en la región entre 200 y 210 GeV/c², sin embargo, en mi opinión se trata de una fluctuación estadística y no hay que tocar las campanas aún. También aparecen otras pequeñas desviaciones de este tipo pero menos claras entre 100 y 200 GeV/c². Yo creo que parte de estas desviaciones se deben a que el número de datos analizado (entre 0,2 y 0,9 /fb) depende del intervalo de masas considerado y que por tanto los datos son aún muy provisionales.

En resumen, espero haber explicado bien la figura. Los que aún tengáis dudas podéis preguntar en los comentarios (no soy experto ni en fenomenología ni en estadística, pero me gustan ambos temas).

Por cierto, Don Lincoln, científico del Fermilab, trata de explicar lo que es el bosón de Higgs para todo el mundo en el siguiente vídeo de youtube. No está subtitulado al español aún, pero este vídeo me ha gustado.

4 pensamientos en “Explicación de la primera figura de exclusión de masa para el bosón de Higgs con datos de 2011 del LHC en el CERN

  1. Una explicación excelente como siempre Francis. Después de observar la figura y de leer tus explicaciones me surge una duda (duda de un lego en la interpretación de este tipo de gráficos):
    Si no he entendido mal el eje vertical representa al fin y al cabo una medida de la fiabilidad de la exclusión del rango de masas concreto, es decir, cuanto más abajo nos movemos más probabilidades hay de que el Higgs no se encuentre en ese rango de masas (con probabilidades superiores al 95% por debajo de la linea roja) y cuanto más arriba menos fiable es la exclusión en el sentido de que se necesitan muchas más colisiones para excluir ese rango de masas (por tanto el rango más probable del Higgs entorno a 120Gev/c2 será el más difícil de excluir). Mi pregunta es ¿Se sabe para que rango de masas se han analizado sólo 0,2 fb de datos y para cuales ya se han analizado 0,9 fb? Yo no soy capaz de verlo en la gráfica ¿O es que precisamente para una masa ligera solo se han analizado 0,2 fb y para masas superiores hay analizados ya 0,9fb? Parece claro que los picos de desviación de más de 2 sigmas con respecto a la predicción teórica del SM no son igual de fiables con solo 0,2fb que con 0,9fb de datos analizados.
    Esta claro que nos esperan unas semanas apasionantes espero que por fin con nuevos descubrimientos. Por cierto, ¿crees que se publicarán dentro de 2 semanas también los resultados de CDF y ATLAS sobre la asimetría CP en mesones Bs neutros que se encontró en el Fermilab?

    • “¿Se sabe para que rango de masas se han analizado sólo 0,2 fb de datos y para cuales ya se han analizado 0,9 fb?”

      No se sabe y habrá que esperar a que se publique el artículo correspondiente. Esta figura esta extraída de las transparencias de una charla que se publicó por error y, de hecho, ahora no está pública. Por lo que habrá que esperar a la semana del 21 al 27 de julio para conocer los detalles en el EPS-HEP 2011

      “¿crees que se publicarán dentro de 2 semanas también los resultados de CDF y ATLAS sobre la asimetría CP en mesones Bs neutros que se encontró en el Fermilab?”

      La verdad es que no lo sé, por los títulos de las charlas hay varias en las que se podrían presentar los resultados de CMS, ATLAS y LHCb sobre esta asimetría, pero no hay ninguna charla en cuyo título se especifique que versará exclusivamente sobre este tema (enlace a las charlas)

      • Muchas gracias por tus respuestas, por los enlaces y sobre todo por tu estupenda labor de divulgación en general.

  2. Excelente Francis tu explicaciòn del anàlisis de los datos sobre la bùsqueda del Higgs, me atrevo a asegurar de que pudiera entender como el 50% de lo que explicas, porque no soy muy ducho en esto, pero lo haces muy bien, pones tu empeño y me motiva, gracias.

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