El LHC está acumulando un inverso de femtobarn de colisiones por semana

Viento en popa, a toda vela, no corta el mar sino vuela, un velero bergantín, … El Gran Colisionador de Hadrones (LHC por Large Hadron Collider) está logrando casi 1 /fb (inverso de femtobarn) de colisiones protón-protón a 8 TeV c.m. por semana en 2012 y ya supera los 3 /fb en CMS y en ATLAS. Los datos son enviados para su análisis en la WLCG (Worldwide LHC Computing Grid), proceso que requiere cierto tiempo. Para el gran congreso de este verano, ICHEP 2012, la fecha que indica el “hasta aquí hemos llegado” se cumple dentro de dos semanas, con lo que a este ritmo podemos esperar que allí se presenten el análisis de la búsqueda del bosón de Higgs con unos 5 /fb tanto en CMS como ATLAS, cumpliendo el objetivo marcado para este año. Son buenas noticias. La inyección con haces estables en modo colisión más larga hasta ahora ha sido el Fill #2651, que obtuvo colisiones durante 19:35 horas, acumulando 0,209 /fb en CMS y 0,201 /fb en ATLAS. Ahora mismo la luminosidad instantánea es casi la máxima que se logrará este año (como mucho se podrá mejorar en un 20% de aquí a final de año), por lo que se espera acumular en 2012 algo más de 15 /fb por experimento, pero sin llegar a alcanzar los 20 /fb. La clave por tanto es lograr inyecciones con haces estables en modo colisión lo más largas posibles. La última inyección Fill #2669 duró 08:13 horas, acumulando 0,132 /fb en CMS y 0,137 /fb en ATLAS. A esta hora del domingo (10:30 hora de Madrid) todavía no se ha inyectado la Fill #2670.

¿Qué podemos esperar sobre el Higgs en ICHEP 2012? Aunque parezca mentira, saberlo en detalle es imposible de predecir, pues la incertidumbre en las predicciones teóricas sobre las colisiones a 8 TeV c.m. en el LHC son todavía muy grandes (y solo llevamos unos meses acumulando datos para afinar los modelos). Observar el Higgs no es tan fácil como tirar una moneda y ver si ha salido cara o cruz. Así nos lo han contado en el Sixth LHC Higgs Cross Section Workshop, May 24-25, 2012, at CERN.

El modelo estándar predice el número de Higgs que se producirán en una colisión protón contra protón a 8 TeV en función de ciertos parámetros (como la distribución de partones en un protón) que no sabemos calcular con precisión. La mejor manera de determinar estos parámetros es medirlos de forma experimental y ello requiere analizar muchas colisiones, pero estos análisis se realizan en paralelo con los correspondientes a la búsqueda del Higgs. Por tanto, puede pasar lo que ya pasó con la búsqueda del Higgs en el Tevatrón hace dos años, cuando al incrementar el número de colisiones analizadas el intervalo de exclusión del Higgs decreció en lugar de crecer.

Las estimaciones teóricas utilizando simulaciones por ordenador mediante métodos de Montecarlo presentan gran incertidumbre, con lo que el resultado depende del algoritmo utilizado (para la distribución de partones en un protón hay varios algoritmos, pero en el LHC se recomienda usar PDF4LHC; más información en Robert Thorne, “Parton Distributions,” 6th LHC Higgs Cross Sections, 25th May 2012, de donde he extraído la figura de arriba). Como muestra la figura, la sección eficaz σ(H), más o menos equivalente a la probabilidad de producción de un Higgs en una colisión, tiene un valor de σ(H) = 16,99 ± 1,66 ± 0,37 que presenta una incertidumbre cercana al 10% (un 7%). La figura (a la izquierda) también muestra como diferentes programas de Montecarlo predicen valores diferentes para la producción de un Higgs por fusión de gluones. La vida de los físicos que trabajan en el LHC no es fácil.

Estos detalles que pueden parecer de poca importancia son fundamentales a la hora de interpretar los resultados que se publiquen sobre el Higgs en el ICHEP 2012. Se observarán muy pocos bosones de Higgs y la comparación entre el número esperado y el observado tendrá gran incertidumbre. Por tanto, en rigor, incluso si la señal sobre un Higgs a 125 GeV se hace más clara, proclamar un descubrimiento temprano es arriesgado. A finales de año, todos los parámetros para realizar una estimación teórica correcta de las predicciones del modelo estándar a 8 TeV c.m. tendrá valores más precisos y la opinión general es que, con más datos y mejores ajustes entre teoría y experimento, ya se podrá proclamar oficialmente, en su caso, un descubrimiento.

Lo mismo pasa con las propiedades del Higgs. Mucha gente interpreta los datos publicados en diciembre sobre el Higgs como una señal de que no corresponde a la predicción del modelo estándar, aparecen excesos en algunos canales de desintegración y defectos en otros. Pero con los pies en la tierra no podemos todavía hablar de Higgs leptofóbicos y otras variantes, pues interpretar los resultados en estos canales es aún más arriesgado que interpretar su combinación. Lo mismo pasará en el ICHEP 2012. El análisis canal a canal de desintegración del Higgs mostrará excesos y defectos de origen puramente estadístico (tanto de las propias fluctuaciones de los datos como de nuestras estimaciones de las predicciones teóricas del modelo estándar). Una interpretación fiable canal a canal requerirá un análisis pormenorizado de todos los resultados que se obtengan en 2012 y quizás no se logre publicar hasta el verano de 2013.

Pero que nadie me malinterprete, aunque las incertidumbres sean mayores de las que nos gustaría, acumulando datos de colisiones las técnicas de análisis estadístico permitirán dar caza al Higgs fuera de toda duda. La figura de arriba, extraída de Dave Charlton (University of Birmingham), representing ATLAS, CMS, CDF and DZero, “Hunting the Higgs: The State of Play. Results from the Tevatron and the LHC,” FPCP, Hefei, 24 May 2012, nos muestra cómo los datos de colisiones en CMS a 7 TeV han ido redescubriendo el modelo estándar.

Estamos viviendo unos momentos apasionantes en la búsqueda del Higgs, pero no debemos olvidar las enormes dificultades que han de superar los miles de físicos que trabajan en el LHC. La analogía con buscar una aguja en un pajar no es buena, porque todo el mundo sabe diferenciar una aguja de una paja cuando la ve, pero no es nada fácil diferenciar entre una colisión con un Higgs y otra con ninguno.