Un resumen sobre el estado de la búsqueda del Higgs tras la conferencia de Moriond EW 2012

Un lector preguntaba hace un par de días por qué no se puede estimar de forma teórica el valor de la masa del bosón de Higgs a partir del resto de los parámetros del modelo estándar. Yo le contesté que se podía, por ejemplo, a partir de la masa del bosón W y del quark top, como muestra esta figura, extraída de Bodhitha Jayatilaka (On behalf of the CDF Collaboration), “Measurement of the W Boson Mass at CDF,” Rencontres de Moriond (Electroweak) March 7, 2012 (Submitted to Phys. Rev. Lett. [arXiv:1203.0275]); sin embargo, la medida precisa de la masa del bosón W es muy difícil en un colisionador de hadrones (como el LHC o el Tevatrón), por lo que las estimaciones teóricas son bastante pobres (por el momento). Lo más importante es que estos resultados teóricos con compatibles con los límites de exclusión de las búsquedas directas.

La mejor manera de estimar la masa del Higgs es combinar las búsquedas directas en el LHC y en el Tevatrón. Esta figura muestra la combinación no oficial de Phlip Gibbs para el LHC en marzo de 2012, obtenida combinando los datos más recientes de ATLAS y CMS en los canales de búsqueda más prometedores para un Higgs de baja masa (más información en Philip Gibbs, “Moriond 2012 Higgs Summary,” viXra log, March 8, 2012). Esta figura tiene “trampa” por dos lados, por uno porque la combinación es oficiosa (combina figuras publicadas no eventos observados) y por otro porque solo se han combinado ciertos canales (añadir los canales con poca resolución para un Higgs de baja masa hace que esta figura empeore). Sea como sea, esta figura es espectacular donde las haya. Los datos experimentales muestran un pico alrededor de 125 GeV con la anchura correcta esperada para un Higgs con dicha masa (destacada con la curva en amarillo). La confianza estadística estimada de esta figura es de unas 4 sigmas, insuficiente para un descubrimiento (sobre todo por las dos “trampas” realizadas). No importa, una figura similar a ésta (Gibbs está clavando todas sus estimaciones estadísticas) será publicada este verano (quizás en julio o más tardar en agosto). En este sentido esta figura no oficial es un anticipo para abrir boca. Una figura oficial como ésta, obtenida por ATLAS y por CMS por separado, permitirá proclamar que el Higgs existe fuera de toda duda (la opinión de mucha gente en el CERN es que no quieren molestarse en combinar oficialmente ambos experimentos).

Que ciertos canales muestran una señal más clara de un Higgs de baja masa que otros canales, porque su resolución para un Higgs de baja masa es mucho peor con los datos actuales, es algo bien conocido por todos los miembros de los experimentos de ATLAS y de CMS. Esta figura mostrada en Moriond EW 2012 muestra dos combinaciones de ATLAS para la búsqueda del Higgs; en azul se combinan solo los canales “estrella” H→γγ, y H→4l, en rojo se combinan los canales “pésimos” (por ahora no muestran nada porque no pueden mostrarlo) H→lνlν, H→ττ, y H→bb, y en negro se combinan todos los canales; como es obvio, los canales “pésimos” degradan la señal y hacen que la curva negra sea mucho menos significativa que la azul. Como diría César @EDocet mezclar churras con merinas no sale nunca bien. La razón por la que alguna gente dice que tras Moriond la señal de ATLAS se ha degradado es que se han añadido los canales “pésimos” (en diciembre no fueron incluidos).

Gibbs también destaca en su entrada lo que ya nos dijo John Ellis en un artículo en ArXiv; lo más interesante de Moriond EW 2012 es que ya hay pruebas que indican que, con alta probabilidad, la partícula con una masa alrededor de 125 GeV que se ha observado en los experimentos tiene espín cero, es decir, es un bosón escalar (como debe ser el Higgs). Se sabe gracias a los datos del Tevatrón en el canal H→bb, que indican que una partícula escalar se está desintegrando en dos fermiones cuyo espín está orientado en direcciones opuestas. Este dato indica que la resonancia que se observa en la figura no oficial de Gibbs tiene toda la pinta de corresponder al bosón de Higgs del modelo estándar (la partícula de “Brout-Englert-Higgs” según algunas charlas en Moriond EW 2012). Por supuesto, una verificación fiable y definitiva requerirá bastante tiempo pues hay comprobar con gran precisión que la partícula observada cumple con todas las propiedades que tiene que tener la partícula de Brout-Englert-Higgs, que no son pocas.

Finalmente, tampoco debemos olvidar que CMS ha publicado una actualización de su combinación para la búsqueda del Higgs; aunque no se han analizado nuevos canales ni se han utilizado más datos que en diciembre, se ha utilizado una técnica estadística de análisis mejorada. El resultado previo para la búsqueda de Higgs de masa baja hizo dudar entre un Higgs con una masa de unos 120 GeV y otro con una masa de unos 124 GeV, pero el nuevo resultado mejorado reduce considerablemente la señal en 120 GeV, reforzando la señal en el intervalo 123-126 GeV, lo que lo hace mucho más compatible con el resultado de ATLAS. Todo parece indicar que ATLAS y CMS están convergiendo en la misma dirección, hacia un Higgs con una masa alrededor de 125 GeV.

Muchos me diréis que soy muy pesado con el Higgs, pero quiero escribir un librito sobre la búsqueda del Higgs y necesito documentar en detalle todos los progresos que se van publicando, los progresos que poco a poco van dando caza al Higgs.

PS (13 marzo 2012): Matt Strassler, muy crítico con la posibilidad de que exista el bosón de Higgs y en su caso de que sea el bosón predicho por el modelo estándar, da su brazo a torcer en “The Quiet Higgs Quake at CMS,” Of Particular Significance, March 13, 2012. Aún así, todavía no está convencido por completo. Los curiosos por conocer la opinión de un experto que no opina lo mismo que yo disfrutarán con su entrada (y con otras entradas de su blog).

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5 pensamientos en “Un resumen sobre el estado de la búsqueda del Higgs tras la conferencia de Moriond EW 2012

  1. Pues no seré yo el que te lo diga Francis, a mi la busqueda del Brout-Englert-Higgs me resulta muy interesante, de lo mas interesante que hace actualmente la física (junto a la investigación de los neutrinos y la antimateria). Ciertamente será necesario caracterizar a esta partícula para determinar con precisión de que se trata, pero he leído que será muy difícil, practicamente imposible, para el LHC (o cualquier otro colisionador de hadrones) lograr determinar algunas de sus propiedades, y que se necesitará de algún acelerador lineal que colisione partículas mas simples (posiblemente electrones contra positrones), el mejor candidato actual el ILC (International Linear Collider). Me gustaría saber tú opinión al respecto, piensas que el LHC podrá logarlo sólo??

    Y hablando de antimateria, viste esto Francis otro logro de la colaboración ALPHA (“Resonant quantum transitions in trapped antihydrogen atoms”)

    http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature10942.html

    • Ramanujan, has leído bien, el estudio completo de la física del Higgs requiere el uso complementario de un colisionadodr de hadrones (LHC) y uno de leptones (ILC). El LHC (y SLHC) podrá determinar la pasa del Higgs con un error del orden de 0,2 GeV (gracias al canal difotónico) y su acomplamiento a los quarks top y bottom. Pero el acoplamiento del Higgs a los leptones requiere el uso del ILC (que seguramente se diseñaraá para ser una “fábrica de Higgs”); por ejemplo, el ILC (500 GeV) podría determinar la masa del Higgs con un error inferior a 0,05 GeV; el ILC es necesario para realizar física de precisión con el Higgs.

      Un punto clave que no debemos olvidar es que encontrar el Higgs en el LHC es un elemento clave para tomar la decisión final sobre el diseño del ILC y que un Higgs con 125 GeV indica que un ILC a 500 GeV es suficiente (hay que recordar que había propuestas para el ILC de hasta 2000 GeV, cuyo coste es muchísimo mayor).

      Gracias, Ramanujan, por el recordatorio del artículo de Nature. Hay un vídeo youtube de ALPHA que explica el experimento (en inglés, usa traducir cc para ver subtítulos en español).

  2. Todos los blogs coinciden contigo en que los datos del Tevatron refuerzan la señal vista en el LHC, todos menos Matt Strassler. Me llama la atención que Matt (que es por supuesto un excelente divulgador) sigue empeñado en destacar todos los datos que fomentan el escepticismo y de minimizar los datos que refuerzan la señal. Él destaca en grandes letras de colores que la evidencia total combinada ha caido de 3,5 sigmas a 2,5 sigmas y que la probabilidad de que la señal sea una mera fluctuación ha crecido desde un 1% de probabilidad a un 10% sin embargo no destaca de la misma forma (aunque si lo explica) que esto es debido a que en los 3 nuevos canales presentados por Atlas no se ha visto un exceso cuando posteriormente si lo había PERO que estos canales son los menos apropiados para la búsqueda del Higgs y su análisis es más difícil y dependen mucho del ruido de fondo. Después Matt dice una frase controvertida que creo le está trayendo problemas aunque lo ha intentado arreglar, en esta frase insinuaba que los datos del Tevatron no son totalmente independientes porque ya conocian el exceso del LHC y por ello pueden verse influidos por el deseo de participar en la búsqueda del Higgs y sesgar los datos a favor del exceso. Opino que esto es un error grave y una agresión a la profesionalidad y honestidad de los científicos del Tevatron.
    De todas formas hay que alabar su esfuerzo de divulgación, pienso que en este caso intenta ser totalmente objetivo pero que sus preferencias hacia la existencia de un Higgs no SM le traicionan.
    Por cierto Francis, ánimo con el librito sobre la búsqueda del Higgs tienes material de sobra: 141 posts desde enero del 2008 ¡increíble! y todo indica que al final del libro tendrás que poner el año 2012, el año del descubrimiento del Higgs.

    • Espero que digital, o ambos, porque de este lado del charco será muy difícil conseguirlo impreso.

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