El día del Higgs 2: “Solo es el comienzo del estudio de la física del bosón de Higgs”

Lo prometido es deuda, así que tengo que comentar la charla de Fabiola Gianotti, “Status of Standard Model Higgs searches in ATLAS,” CERN, 4th July 2012 [a quien no le guste el font Comic Sans que lo cambie en el PPT]. El resultado publicado ayer utiliza todos los datos de colisiones a 7 TeV c.m. recabados en 2011, que han sido reanalizados, y los nuevos para colisiones a 8 TeV c.m. de 2012, totalizando la friolera de 10,7 /fb (inversos de femtobarn de colisiones). Recordando que la sección eficaz del Higgs (con una masa de 125 GeV) es de unos 20 pb, en los datos de ATLAS hay unos 210.000 bosones de Higgs. Obviamente, observarlos es muy difícil y solo se puede esperar observar, como mucho, unos 400 bosones en canal difotónico (la desintegración del Higgs en dos fotones) y unos 20 en el canal ZZ con 4 leptones cargados (la desintegración de un Higgs en dos bosones Z que a su vez se desintegren en cuatro muones, o cuatro electrones, o dos muones y dos electrones). Repito, como mucho; de hecho, estos números están sobredimensionados porque en 2011 la energía de las colisiones fue inferior, pero no merece la pena calcularlos con mayor precisión, mi objetivo es ilustraros que aunque se hayan producido unos dos cientos mil Higgs en el LHC solo podremos observar unos cientos, lo que demuestra lo difícil que es observar un Higgs.

Los canales de desintegración del Higgs en los que podemos esperar que ATLAS aporte información sobre el Higgs en 2012 son los siguientes: H→ γγ (dos fotones), H→ ZZ*→ 4l (cuatro leptones cargados), H→ ZZ→  llνν (dos leptones cargados y dos neutrinos), H→ ZZ→ llqq (dos leptones cargados y dos quarks), H→ ττ (dos leptones tau), H→ WW*→  lνlν (dos leptones cargados y dos neutrinos), H→ WW→ lνqq (un leptón cargado, un neutrino y dos quarks), y VH→ Vbb (donde V es W o Z, y bb es un par de quarks bottom y anti-bottom). Cada uno de estos canales muestra señales que son agrupadas de forma separada en lo que podríamos llamar subcanales, pero no quiero marear más la perdiz. Lo importante es que el descubrimiento de un bosón escalar tipo Higgs que se publicó ayer, 4 de julio, fue solo en dos de estos canales, por ello las autoridades del CERN no quieren afirmar con rotundidad que se trata del Higgs predicho por el Modelo Estándar. Ellos son así de conservadores y ya sabéis que a mí también se me pega a veces este conservadurismo (aunque otras lo olvido).

El canal estrella ayer fue el canal difotónico (H→ γγ). Esta figura muestra el resultado observado, una “joroba” (bump) muy clara por encima del fondo para un Higgs cuya masa esté alrededor de 126,5 GeV. Lo primero hay que destacar es que en esta figura se han dibujado unos 60.000 eventos y solo unos 200 de ellos apuntan al Higgs. Lo segundo es que mirando todo el intervalo entre 100 y 160 GeV se observan gran número de fluctuaciones “puntuales” tanto por exceso como por defecto. Lo tercero que los errores sistemáticos son grandes aún, del orden del 10% en la predicción teórica para el fondo (background). Y por último, lo cuarto es que la resolución para la masa del Higgs en este canal ronda el 14% con lo que un valor de 126,5 GeV es compatible con un Higgs de 125,5 GeV o incluso de 125 GeV. Este canal por sí solo no puede afinar tanto la masa y hay que combinarlo con otros canales.

El pico se ve mucho mejor en este diagrama de exclusión de masa que nos permite estimar a ojo la confianza estadística, aunque lo mejor es recurrir a una figura del valor-p asociado a esta resonancia.

Como vemos los datos de colisiones de 2011 apuntan a un Higgs con una masa de 126 GeV con una confianza de 3,5 σ (sigmas), los de 2012 apuntan a un Higgs con una masa de 127 GeV con una confianza de 3,4 σ, y los valores combinados 2011+2012 apuntan a un Higgs con una masa intermedia de 126,5 GeV con una confianza estadística en la hipótesis de que se trata del Higgs del Modelo Estándar de nada más y nada menos que de 4,5 σ (recuerda que un descubrimiento se proclama al alcanzar 5,0 sigmas). Solo este canal ya apunta a descubrimiento. Aún así, me gustaría recordar que estamos hablando de confianza local y que la confianza global en el intervalo 110-150 GeV, teniendo en cuenta el efecto LEE (Look-Elsewhere Effect), se reduce a solo 3,6 σ (considerando el intervalo completo de búsqueda de 110 a 600 GeV se reduciría aún más; por eso yo fui muy escéptico los días pasados sobre lo que se anunciaría ayer).

Esta figura compara la tasa de desintegración (sección eficaz) experimental con la predicción del modelo estándar (valor igual a la unidad). Se han separado los eventos del canal difotónico en diferentes grupos (según cómo han sido identificados). Se ve que el resultado tiene gran incertidumbre en cada grupo, pero que de forma global es ligeramente superior a la predicción teórica, en concreto, para un Higgs con masa 126,5 GeV el mejor ajuste da 1,9 ± 0,5 en lugar del valor esperado, 1,0.

Esta figura lo ilustra mejor, pero hay que tener cuidado y no olvidar la anterior. La diferencia es pequeña y teniendo en cuenta que las incertidumbres son grandes no debemos alarmarnos todavía por este valor “demasiado alto,” proclamando un Higgs que no sea el predicho. Todavía es muy pronto para llegar tan lejos.

Evento H → ZZ* → 4μ observado en ATLAS y candidato de libro a Higgs.

Evento H → ZZ* → 4e observado en ATLAS y candidato de libro a Higgs.

Evento H → ZZ* → 2μ2e observado en ATLAS y candidato de libro a Higgs.

Ahora nos toca analizar el segundo canal estrella del día de ayer, el canal H → ZZ* → 4l (4e, 4μ, 2e2μ), más o menos el 0,01% de los Higgs se desintegran de alguna de estas formas. Arriba tenéis tres eventos de libro para cada una de estas tres posibilidades (arriba 4 muones, enmedio 4 electrones, y abajo 2 muones y 2 electrones). Se espera detectar muy pocos eventos de este tipo en los datos de 2011 y 2012 de ATLAS, pero son eventos muy limpios. Además, la reconstrucción de la energía de la partícula (Higgs) que los produce es muy buena, lo que los hace que este canal sea clave (tanto en ATLAS como en CMS).

Esta figura muestra todos los eventos de este tipo observados en ATLAS entre 2011 y 2012 en el rango de energías hasta 250 GeV. Lo primero que se observa es un pico alrededor de 90 GeV que corresponde a la resonancia Z → 4l que se comprende muy bien y se considera ruido de fondo (por eso está en rojo). Se ha superpuesto la señal esperada para un Higgs de 125 (celeste), 150 (naranja) y 190 GeV (gris). Claramente se ve que los datos solo son compatibles con un Higgs a 125 GeV. La figura muestra claramente que se han observado 13 eventos (4 en 2011 y 9 en 2012) cuando se espera un fondo de 5,1 ± 0,8; la señal esperada para un Higgs del Modelo Estándar con una masa de 125 GeV es de 5,3 ± 0,8 eventos (en la zona celeste). Por tanto, la señal observada en este canal corresponde muy claramente a un Higgs.

La significación estadística de la señal en este canal es mostrada en esta figura. La señal de 2011 apuntaba a un Higgs con una masa de 125 GeV con una confianza estadística local de 2,3 σ, la señal de 2012 a un Higgs con 125,5 GeV y confianza local de 2,7 σ, y finalmente la combinación 2011+2012 apunta a un Higgs de masa 125 GeV con una confianza local de 3,4 σ. La confianza estadística global en el intervalo entre 110 y 141 GeV es de solo 2,6 σ. Estos resultados son muy similares a los observados por CMS (que ya comenté en mi entrada de ayer).

ATLAS (o mejor dicho, Fabiola) no presentó ayer ningún análisis con datos de 2012 de los demás canales de desintegración del Higgs que se están estudiando (yo espero que este sábado 7 de julio en el ICHEP 2012 haya información sobre alguno más, pero no sé si mi esperanza es vana). Lo único que han hecho ha sido combinar los datos anteriores con los resultados en 2011 para dichos canales, obteniendo esta figura combinada que provocó el aplauso de toda la concurrencia en el CERN. Esta figura implica la existencia de un Higgs con una masa de 126,5 GeV con una confianza estadística local de 5,0 σ (lo que implica un descubrimiento). La confianza global es de solo 4,1 y 4,3 σ para los intervalos de masa (LEE) 110-600 y 110-150 GeV, respectivamente. Por cierto, los datos de 2011 (reanalizados) apuntan a un bosón de Higgs con 126 GeV con una confianza local de 3,5 σ y los de 2012 a un Higgs de 127 GeV con una de 4,0 σ. Por separado los datos no permiten un descubrimiento, pero acumulando datos de 2011 y 2012 el descubrimiento está fuera de toda duda.

¿Realmente se ha observado el bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar? Esta figura muestra el ajuste entre la señal observada por ATLAS y la predicción del modelo estándar (línea roja con puntos; la línea negra con puntos es la predicción del modelo estándar para la ausencia del Higgs). El ajuste es magnífico. En mi opinión fuera de toda duda (teniendo en cuenta que en 2012 solo se han analizado dos canales de búsqueda). El mejor ajuste estadístico corresponde a un Higgs del Modelo Estándar con una masa de 126,5 GeV con un cociente μ = 1,2 ± 0,3 prácticamente idéntico a la unidad (la predicción del modelo estándar).

Para los físicos teóricos es importante el comportamiento de la partícula observada respecto a la predicción de un Higgs del SM en cada canal por separado porque muchos modelos exóticos para primos del Higgs implican cambios en las tasas de desintegración en los diferentes canales. Esta figura nos muestra que el canal difotónico muestra un exceso, pero que gracias al canal ZZ→llll se corrige y al combinar el exceso se reduce mucho. Los otros canales, con datos solo de 2011, aportan muy poca información.

En resumen, se ha descubierto un bosón escalar neutro que tiene toda la pinta de ser el bosón de Higgs y que mientras nadie demuestre lo contrario podemos afirmar con rotundidad que se trata del bosón de Higgs del Modelo Estándar. Yo veo bastante claro que cuando se analicen con datos de 2012 los canales que faltan la señal será aún mucho  más clara.

PS: En mi entrada en Amazings.es “El CERN anuncia el descubrimiento del bosón de Higgs,” 4 julio 2012, escrita junto a Mario Herrero la hora después del anuncio en el CERN, dije que “No me gusta presumir, pero creo que debo recordar que en septiembre de 2011, en mi charla en Amazings Bilbao, predije que el Higgs sería descubierto en julio o agosto de 2012. Mi predicción no requería ninguna bola de cristal, solo mi absoluta confianza en el buen hacer de los miles de científicos que trabajan en el CERN y en sus grandes colaboraciones CMS y ATLAS. Miles de personas que han trabajado duramente durante dos años para brindarnos a toda la comunidad científica uno de los resultados más esperados y más importantes de las últimas décadas.”

En uno de los comentarios un tal clos dijo: “Sí que me gustaría añadir una cosa. Para gustarle poco presumir, la verdad es que Francis presume bastante. Menudo logro, predijo que sería descubierto en julio o agosto. Aunque quizá tendría más mérito si hace unos días no hubiera predicho también lo siguiente: El anuncio no será más gordo que el de diciembre de 2011.” Mi contestación fue la obvia en estos casos: “Gracias, clos. Tienes razón, presumo bastante. Presumo hasta de presumir.”

Quizás debo aclarar este asunto en mi propio blog, pues no merece la pena aclararlo en Amazings.es. Mi opinión previa al anuncio del CERN asumía que no se iban a combinar los datos de 2011 y de 2012. Como aparece muy claro en esta entrada y en mi anterior entrada sobre CMS, solo los datos de 2012 no permiten asegurar un anuncio de descubrimiento ya que la significación estadística local supera por poco las 4,0 sigmas. Además, en el anuncio de diciembre de 2011, la dirección del CERN le dio mucha importancia a la confianza (o significación) estadística global, por lo que fue un anuncio muy pesimista, y yo pensé que también harían lo mismo en el nuevo anuncio del 4 de julio. Me equivoqué en ambas cosas. Se han combinado los datos de 2011 y 2012 lo que ha permitido superar cinco sigmas locales, y además se ha preferido no mencionar que las sigmas globales todavía están lejos de un descubrimiento. Por supuesto, la combinación no oficial viXra de Philip Gibbs con los datos actuales LHC 2011, LHC 2012, Tevatrón y LEP 2, permite asegurar un descubrimiento con más de cinco sigmas globales. Quizás la dirección del CERN ha cambiado de opinión y/o costumbre para evitar el efecto “blogosfera” de la combinación viXra. Aunque lo más seguro es que la garantía de que el Higgs no se encuentra por debajo de 600 GeV con más de cinco sigmas locales, salvo en el intervalo alrededor de 125,5 GeV, haya sido suficiente para justificar el cambio de opinión.

En cualquier caso, lo que debemos tener muy presente es que la dirección del CERN habla del descubrimiento de un bosón escalar que puede ser el Higgs, pero que aún hay que recabar más datos. Lo que quieren decir es que hay que analizar más canales de desintegración ya que debido a que la confianza estadística global en el descubrimiento del bosón de Higgs del Modelo Estándar todavía no alcanza las cinco sigmas según los datos publicados oficialmente (aunque sí en los oficiosos). En unos meses, con toda seguridad en diciembre de 2012, ya habrá datos suficientes para confirmar de forma “definitiva” que se trata del Higgs. Por cierto, nunca se puede decir de forma “definitiva” en física. ¿Es el quark top observado el quark top de la tercera generación de partículas según la QCD? La verdad es que tras 17 años todavía se siguen estudiando sus propiedades y se sigue comprobando si coinciden con las que tiene que tener. Todavía, aunque poca gente duda de que no sea la partícula que tiene que ser.

¿Realmente podemos confiar en las combinaciones oficiosas de Philip Gibbs? Su hipótesis sobre el comportamiento de los errores (seguir una distribución normal o gaussiana). Cuanto más colisiones se consideran, gracias a la ley de los grandes números, más confianza tienen estas combinaciones. Abajo tenéis la única combinación oficial ATLAS+CMS publicada hasta el momento (finales de agosto de 2011) y cómo se compara con la combinación oficiosa (curva roja). Sobran más comentarios (pero si queréis más podéis consultar esta entrada de viXra).

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11 pensamientos en “El día del Higgs 2: “Solo es el comienzo del estudio de la física del bosón de Higgs”

  1. Vaya, me ha sorprendido verme en la entrada.

    Creo que debo pedir disculpas porque al releer el mensaje veo que el tono en que lo escribí no es adecuado y es posible que se interprete de forma totalmente distinta a lo que yo quería decir. En ese momento estaba con un amigo al que hacía tiempo que no veía comentando la gran noticia y echando un ojo a algunas entradas y páginas de periódicos, con un tono bastante bromista y con algo de cachondeo. Ese fue el mismo tono que usé en el comentario, aunque una persona (especialmente Francis) que lo ve desde otro punto de vista puede llevarse una impresión muy distinta y verlo como un comentario algo borde y salido de tono, por lo que pido perdón si así ha sido.

    Realmente agradezco que nos ofrezcas este blog a todos los que por aquí pasamos, así como las colaboraciones en amazings o feelsynapsis. El momento en que Incandela dijo 5 sigmas acompañado de vuestros comentarios fue mítico.

    Un saludo.

  2. Francis, no quiero ser mal pensado, pero, ¿crees que el motivo de acotar el intervalo de masas para provocar el subidón hacia los 5 y 4,9 sigmas en cada experimento se debe a algunas prisas por sacar resultados a la vista del público? No tengo ni la mas minima idea de cuando serán las próximas reuniones para obtener la financiación del ILC, pero esto de forzar tanto cuando se sabe que a principios de 2013 el descubrimiento está asegurado me parece un poco raro. Quizás hayan querido soltar todo esto de golpe a la opinión pública para que no se diluya este descubrimiento en varias fases que no hubieran sido el sopetón mediático que ha producido esta conferencia. Ademas se encargaron de que todo el mundo estubiera pendiente soltando el famoso video en la pagina de CERN horas antes del anuncio. No creo que esto haya sido un despiste… Ni creo que tengan esas prisas por acotar los intervalos de masas para la confianza estadística… Solo se me ocurre que quieran causar ese impacto para que los políticos (mediante buena imagen a la opinión pública) suelten la billetera. Y no estoy diciendo que esto esté mal, de hecho creo que los políticos tienen cocodrilos en los bolsillos a la hora de soltar. Ojalá soltasen la centésima parte de lo que sueltan a las recapitalizaciones de los bancos. Pero por desgracia estamos en manos de ellos siempre para obtener financiación.

    • Ni idea, Javorromo. No me gusta ser mal pensado… Recuerda que al final Rolf Heuer preguntó al público si pensaban que la “nueva partícula” era el bosón de Higgs y todo el mundo gritó que sí. Yo creo que esta rueda de prensa ha sido el resultado un sentimiento colectivo de los miles de personas que trabajan en el CERN, que a pesar de las dudas oficiales de la dirección, confían en que el Higgs ha sido encontrado. Yo no buscaría más razones…

  3. Ruego satisfagan mi curiosidad:
    El campo de Higgs hoy no existe. Fue la primera cosa que existió una fracción de segundo después del origen de nuestro universo y que dió masa a las particulas que después sobrevinieron. Pero hoy el campo de Higgs no existe. En resumen, lo que hoy vivimos son los efectos de dicho suceso y nuestra existencia está integrada en ellos; nada mas.
    El acelerador del CERN ha hecho un experimento, simulando nuevamente esa fracción de segunda despues del Big Bang, para averiguar como se originó la masa en las particulas hoy existentes.
    Por tanto el campo de Higgs hoy no existe.
    ¿Esto es así?
    La siguiente pregunta es: ¿Existen HOY particulas, mejor dicho, existe el boson de Higgs, o tambien esas particulas han sido creadas tan solo en el experimento del aceledador del CERN.?
    ¿Sería lógico que hoy existieran particulas (boson de Higgs)en nuestro universo, sin el campo de Higgs? ¿Que supondría?

    • Josep, lo primero que cuentas está mal razonado.

      “El campo de Higgs hoy no existe.” Todo lo contrario, el campo existe y hay muchas pruebas indirectas de su existencia. Lo que se estudia es si el campo se puede excitar formando partículas o no.

      ” Fue la primera cosa que existió…” No. No sabemos cómo surgieron las cosas y en qué orden. Pero por ahora creemos que todos los campos surgieron al mismo tiempo, cuando nació el espacio, el tiempo y la energía. No tenemos ninguna razón para pensar que algún campo nació más tarde.

      “una fracción de segundo después … dió masa a las particulas…” Creemos que los campos cambiaron de propiedades conforme el universo se expandía. Hasta que el universo tenía una billonésima de segundo (más o menos), todas las partículas se movían a la velocidad de la luz y se comportaban como partículas sin masa. En ese momento (transición de fase electrodébil), el campo de Higgs cambió (como el agua que se congela o un material ferromagnético que se imanta) y “automáticamente” todas las partículas ganaron masa (es decir, empezaron a interaccionar con el campo de Higgs, porque antes no lo hacían).

      “Pero hoy el campo de Higgs no existe.” Todo lo contrario. Si hoy no existiera el campo de Higgs no podríamos excitarlo para producir una partícula de Higgs.

      Todos los campos existen desde que se crearon junto con el espacio y el tiempo, no es posible que un campo desaparezca (lo prohíben las leyes de conservación de la energía y el momento); los campos pueden cambiar de propiedades, pero no pueden desaparecer.

      “El acelerador del CERN … simulando nuevamente …” No, esto no es correcto. El colisionador LHC del CERN ha excitado el campo de Higgs con mucha energía (como alguien que golpea un tambor y lo pone a vibrar) y ha logrado que “vibre” dando lugar a la aparición de la partícula de dicho campo.

      “Por tanto el campo de Higgs hoy no existe. ¿Esto es así?” No, estás completamente equivocado.

      “¿Existen HOY particulas, mejor dicho, existe el boson de Higgs?…” El bosón de Higgs es inestable y se desintegra en billonésimas de billonésima de segundo. No existen bosones de Higgs en el universo que podamos observar (como existen fotones, neutrinos, electrones,…). No existen en el universo ni quarks top, ni bottom, ni leptones tau, ni muones, …. La única manera de observar estas partículas es que se produzcan en una colisión violenta (con mucha energía). Los grandes fenómenos violentos del universo producen quarks top, leptones tau… y partículas de Higgs… pero todas estas partículas se desintegran tan rápido en partículas de menor masa que es imposible observarlas desde la Tierra. La única manera de observarlas es producirlas (“fabricarlas”) en la Tierra usando colisiones de alta energía.

      Repito, con el bosón de Higgs pasa lo mismo que con el quark top. Los físicos no entendemos por qué la gente asume el quark top como algo natural y no lo hace con el bosón de Higgs. No hay en el universo ni quarks top ni bosones de Higgs, porque son partículas inestables que se desintegran tan rápido que es imposible observarlas. Sin embargo, es posible producir tanto quarks top como bosones de Higgs en colisiones con mucha energía (tanto en la Tierra como en otros fenómenos violentos del universo). El campo del quark top existe igual que existe el campo de Higgs o igual que existe un campo electromagnético. Hay un fondo cósmico de fotones porque el fotón es una partícula estable, pero para las partículas que son inestables no tiene sentido el concepto de “fondo cósmico de…”

      “¿Sería lógico que hoy existieran particulas (boson de Higgs)en nuestro universo, sin el campo de Higgs? ¿Que supondría?” No sería lógico. Tu frase no tiene ningún sentido. Partícula y campo son la misma cosa. Mejor dicho, la partícula es una excitación del campo, por tanto sin campo no hay partícula. Sin embargo, hay excitaciones del campo sin partícula, se llaman excitaciones de vacío. El vacío del campo no tiene ninguna partícula del campo pero está constantemente excitado (a estas excitaciones del vacío los físicos las llamamos partículas virtuales).

      Espero haberte aclarado las ideas.

      • Sr. Francis Villatoro muchas gracias por su paciencia, su exposición ha sido muy precisa y esclarecedora de mis inquietudes; pero voy a molestarle en una “cosilla” mas y luego me reteriraré una temporada en mis meditaciones filosoficas:
        ¿Existe el vacio? ¿Coexistimos con el vacío? ¿Está “lleno” el vacio?

      • Josep, hay muchos libros escritos sobre el vacío (a mí me gusta “The Void” (2004) y “Nothing: A Very Short Introduction” (2009) los dos del gran divulgador de la física de partículas Frank Close, Universidad de Oxford).

        Los físicos llamamos vacío al estado de un campo cuántico que no presenta partículas, cuya energía y momento tienen un valor cero (como valor promedio en cada volumen “promediable” de espaciotiempo). Dicho estado presenta fluctuaciones a las que llamamos partículas virtuales y a veces se dice que el vacío está “lleno” de “partículas virtuales” que aparecen y desaparecen sin dejar constancia de su presencia (obviamente usar la palabra “lleno” es una manera de hablar). Por tanto, los físicos creemos que el vacío existe.

  4. Esto ya lo sabemos, pero desde el momento en que la geometría de Riemann se cruzó en la vida de Einstein éste se alejó de la teoría machiana de modo acelerado. Por cierto, tu comentario sobre Dirac me pareció surrealista.

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